Okruh sběru EKG: 5 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

UPOZORNĚNÍ: Toto není zdravotnický prostředek. Toto je pouze pro vzdělávací účely pomocí simulovaných signálů. Pokud používáte tento obvod pro skutečná měření EKG, zajistěte, aby obvod a připojení mezi obvodem a přístrojem používaly správné izolační techniky

Snad nejrozšířenějším fyziologickým měřením v dnešním zdravotnickém průmyslu je elektrokardiogram (EKG/EKG). Je těžké projít nemocnicí nebo urgentním příjmem, aniž byste slyšeli tradiční „pípnutí“monitoru srdečního tepu nebo viděli, jak se křivka EKG valí po obrazovce v pokoji pacienta. Ale co je toto měření, které se stalo tak spojeným s moderním zdravotnictvím?

Elektrokardiogram je často mylně považován za záznam fyzické aktivity srdce, nicméně, jak název napovídá, je to vlastně záznam elektrické aktivity, depolarizace a repolarizace srdečních svalů. Díky analýze zaznamenané křivky mohou lékaři získat vhled do chování elektrického systému srdce. Mezi běžné diagnózy z údajů EKG patří: infarkt myokardu, plicní embolie, arytmie a AV bloky.

Následující Instructable nastíní postup a principy použité pro konstrukci základního elektrického obvodu, který je schopen sbírat EKG s použitím jednoduchých povrchových elektrod, jak se to dělá v nemocnicích.

Krok 1: Navrhněte přístrojový zesilovač

Prvním obvodovým prvkem potřebným pro záznam signálu EKG je přístrojový zesilovač. Tento zesilovač má dva efekty.

1. Vytváří elektronický nárazník mezi záznamovými elektrodami a zbytkem obvodu. Tím se sníží požadovaný odběr proudu z elektrod prakticky na nulu. Umožňuje sběr signálu s velmi malým zkreslením způsobeným vstupní impedancí.

2. Diferenciálně zesiluje zaznamenaný signál. To znamená, že jakýkoli signál společný v obou záznamových elektrodách nebude zesílen, zatímco rozdíly (důležité části) budou.

Záznamy povrchových elektrod pro EKG budou obvykle v rozsahu miliVoltů. Proto, abychom dostali tento signál do rozsahu, můžeme pracovat se zesílením (K) 1000 V/V.

Řídicí rovnice pro zesilovač ilustrované výše jsou:

K1 = 1 + 2*R2 / R1, to je zisk fáze 1

K2 = - R4/R3, to je zisk fáze 2

V ideálním případě by K1 a K2 měly být přibližně stejné a pro dosažení požadovaného zesílení K1 * K2 = 1000

Konečné hodnoty použité v našem obvodu byly….

R1 = 6,5 kOhm

R2 = 100 kOhm

R3 = 3,17 kOhm

R4 = 100 kOhm

Krok 2: Navrhování zářezového filtru

V moderním světě je pravděpodobné, že sběr EKG bude prováděn v blízkosti některých jiných elektronických zařízení, nebo dokonce jen v budově, která je napájena elektřinou z místních elektrických vedení. Bohužel vysokonapěťová a oscilační povaha poskytované energie znamená, že bude produkovat velké množství elektrického „šumu“prakticky v jakémkoli vodivém materiálu, který je v jeho blízkosti; to zahrnuje vodiče a obvodové prvky použité ke konstrukci našeho sběrného obvodu EKG.

Abychom tomu zabránili, jakýkoli signál s frekvencí rovnou frekvenci šumu generovaného místním napájecím zdrojem (nazývaný síťový hukot) lze jednoduše odfiltrovat a v podstatě odstranit. Ve Spojených státech dodává elektrická síť 110–120 V s frekvencí 60 Hz. Proto musíme odfiltrovat jakoukoli signálovou složku o frekvenci 60 Hz. Naštěstí to bylo provedeno mnohokrát předtím a vyžaduje to pouze návrh zářezového filtru (na obrázku výše).

Rovnice řídící tento filtr jsou….

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

R3 = (R1 * R2) / (R1 + R2)

Q = w / B

kde wc2 je vysoká mezní frekvence, w2 nízká mezní frekvence, w mezní frekvence v rad/s a Q faktor kvality

Všimněte si, že C je hodnota, kterou lze libovolně zvolit. V našem obvodu byly použity následující hodnoty:

R1 = 1,65 kOhm

R2 = 424,5 kOhm

Q = 8

w = 120 * pi rad/s

Krok 3: Nízkoprůchodový filtr

Signály EKG mají frekvenci kolem 0 - 150 Hz. Aby se zabránilo spojování většího šumu se signálem z věcí s vyšší frekvencí, než je tento rozsah, byl implementován dolní propust ButterWorth filtru druhého řádu s mezní hodnotou 150 Hz, aby obvodem prošel pouze signál EKG. Místo okamžitého výběru snadno dostupné hodnoty kondenzátoru, jako u předchozích komponent, byla první hodnota kondenzátoru, C2, zvolena podle níže uvedeného vzorce. Z této hodnoty by mohly být vypočítány všechny ostatní hodnoty komponent a poté přidány do obvodu při zachování zisku znovu na 1V/V.

C2 ≈ 10/fc uf, kde fc je mezní frekvence (v tomto případě 150 Hz).

Poté lze zbývající hodnoty vypočítat podle tabulky zahrnuté jako druhý obrázek v tomto kroku.

Konečné hodnoty používané ve schématu výše jsou:

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22,47 kOhm

R2 = 22,56 kOhm

Krok 4: Příprava LabVIEW

Jediným materiálem požadovaným pro tuto část sbírky EKG je počítač se systémem Windows vybavený 64bitovou kopií LabVIEW a deskou pro úpravu signálu National Instruments () s jediným vstupním modulem. Funkční blokové schéma v LabVIEW by pak mělo být vytvořeno následujícím způsobem. Začněte otevřením prázdného funkčního blokového diagramu.

Vložte blok DAQ Assistant a upravte nastavení na následující:

Měření: Analogové → Napětí

Režim: RSE

Odběr vzorků: Nepřetržitý odběr vzorků

Shromážděné vzorky: 2500

Vzorkovací frekvence: 1000 / s

Výstup shromážděného průběhu do grafu průběhu. Navíc vypočítejte maximální hodnotu aktuálních údajů o průběhu. Vynásobením maximální hodnoty vlny hodnotou, například 0,8, vytvoříte prahovou hodnotu pro detekci píku, tuto hodnotu lze upravit na základě úrovně šumu v signálu. Vložte produkt z předchozího kroku jako prahovou hodnotu a pole surového napětí jako data pro funkci „Peak Detection“. Dále vezměte výstup „Umístění“pole detekce špiček a odečtěte první a druhou hodnotu. To představuje rozdíl v hodnotách indexu dvou píků v počátečním poli. To lze pak převést na časový rozdíl vydělením hodnoty vzorkovací frekvencí, v případě příkladu je to 1000 /s. Nakonec vezměte převrácenou hodnotu této hodnoty (udávající Hz) a vynásobte 60, abyste získali srdeční frekvenci v úderech za minutu BPM. Konečný blokový diagram by se měl podobat obrázku záhlaví pro tento krok.

Krok 5: Integrace celého systému

Nyní, když byly všechny součásti konstruovány jednotlivě, je na čase dát dohromady nákupní centrum. To lze provést jednoduchým propojením výstupu jedné sekce se vstupem následujícího segmentu. Fáze by měly být zapojeny ve stejném pořadí, v jakém jsou uvedeny v tomto Instructable. Pro poslední fázi, filtr ButterWorth, by měl být jeho vstup připojen k jednomu ze dvou vodičů na vstupním modulu desky úpravy signálu. Druhý vodič z tohoto modulu by měl být připojen ke společnému uzemnění obvodů.

U přístrojového zesilovače by měly být jeho dva vodiče připojeny k elektrodě EKG/EKG. To lze snadno provést pomocí dvou aligátorových spon. Poté umístěte jednu elektrodu na každé zápěstí. Zajistěte, aby byly připojeny všechny segmenty obvodu a aby LabVIEW VI běžel a systém by měl v okně LabVIEW vydávat graf průběhu.

Výstup by měl vypadat podobně jako druhý obrázek poskytnutý v tomto kroku. Pokud to není podobné, může být nutné upravit hodnoty vašeho obvodu. Jedním z běžných problémů je, že zářezový filtr nebude vystředěn přímo na 60 Hz a může být mírně až vysoko/nízko. To lze otestovat vytvořením bodového grafu pro filtr. V ideálním případě bude mít zářezový filtr při 60 Hz alespoň 20 dB útlum. Může být také užitečné zkontrolovat, zda je vaše místní napájení dodáváno při 60 Hz. V některých oblastech není neobvyklé mít 50 Hz střídavé zdroje, což by vyžadovalo vycentrování zářezového filtru kolem této hodnoty.