Jednoduchý obvod EKG a program srdeční frekvence LabVIEW: 6 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:24

Elektrokardiogram nebo EKG je extrémně účinný diagnostický a monitorovací systém používaný ve všech lékařských praxích. EKG se používají k grafickému sledování elektrické aktivity srdce a kontrole abnormalit srdeční frekvence nebo elektrické signalizace.

Z odečtu EKG lze srdeční frekvenci pacientů určit podle časového odstupu mezi komplexy QRS. Kromě toho lze pomocí elevace segmentu ST detekovat další zdravotní stavy, jako například čekající srdeční záchvat. Taková čtení mohou mít zásadní význam pro správnou diagnostiku a léčbu pacienta. Vlna P ukazuje kontrakci síně srdce, křivka QRS je komorová kontrakce a vlna T je repolarizace srdce. Znalost i jednoduchých informací, jako je tato, může pacientům rychle diagnostikovat abnormální srdeční funkci.

Standardní EKG používané v lékařské praxi má sedm elektrod, které jsou umístěny v mírném půlkruhovém vzoru kolem dolní oblasti srdce. Toto umístění elektrod umožňuje minimální šum při záznamu a také umožňuje konzistentnější měření. Pro náš účel vytvořeného obvodu EKG použijeme pouze tři elektrody. Pozitivní vstupní elektroda bude umístěna na pravé vnitřní zápěstí, záporná vstupní elektroda bude umístěna na levé vnitřní zápěstí a zemnící elektroda bude spojena s kotníkem. To umožní relativní přesnost měření naměřených hodnot přes srdce. S tímto umístěním elektrod připojených k přístrojovému zesilovači, dolní propusti a zářezovému filtru by měly být křivky EKG snadno odlišitelné jako výstupní signál z vytvořeného obvodu.

POZNÁMKA: Toto není lékařské zařízení. 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

Krok 1: Sestavte přístrojový zesilovač

Pro konstrukci vícestupňové instrumentace se ziskem 1000 nebo 60 dB by měla být použita následující rovnice.

Zisk = (1+2*R1/zisk)

R1 se rovná všem rezistorům použitým v přístrojovém zesilovači kromě zesilujícího odporu, který v jistém smyslu způsobí, že veškerý zisk bude zapojen do prvního stupně zesilovače. Bylo zvoleno 50,3 kΩ. Pro výpočet zesílení rezistoru je tato hodnota zapojena do výše uvedené rovnice.

1000 = (1+2*50300/zisk)

Zisk = 100,7

Poté, co je tato hodnota vypočítána, může být přístrojový zesilovač konstruován jako následující obvod zobrazený v tomto kroku. OP/AMP by měly být napájeny kladným a záporným 15 V, jak je znázorněno na schématu zapojení. Obtokové kondenzátory pro každý OP/AMP by měly být umístěny v blízkosti OP/AMP v sérii s napájecím zdrojem, aby se tlumil jakýkoli střídavý signál přicházející ze zdroje energie na zem, aby se zabránilo smažení OP/AMP a veškerý další hluk, který by mohl přispět na signál. Také pro testování skutečného zisku obvodů by kladný uzel elektrody měl dostat vstupní sinusovou vlnu a záporný uzel elektrody by měl být připojen k zemi. To umožní přesné zobrazení zesílení obvodu se vstupním signálem méně než 15 mV od vrcholu k vrcholu.

Krok 2: Vytvořte dolní propust druhého řádu

K odstranění šumu nad požadovanou frekvencí signálu EKG, který byl 150 Hz, byl použit nízkoprůchodový filtr 2. řádu.

Hodnota K použitá ve výpočtech pro dolní propust druhého řádu je zisk. Protože v našem filtru nechceme žádný zisk, zvolili jsme hodnotu zesílení 1, což znamená, že vstupní napětí se bude rovnat výstupnímu napětí.

K = 1

U Butterworthova filtru druhého řádu, který bude použit pro tento obvod, jsou koeficienty a a b definovány níže. a = 1,414214 b = 1

Za prvé, hodnota druhého kondenzátoru je vybrána jako relativně velký kondenzátor, který je snadno dostupný v laboratoři i v reálném světě.

C2 = 0,1 F

Pro výpočet prvního kondenzátoru se použijí následující vztahy mezi ním a druhým kondenzátorem. Koeficienty K, a a b byly zapojeny do rovnice pro výpočet, jaká by tato hodnota měla být.

C1 <= C2*[a^2+4b (K-1)]/4b

C1 <= (0,1*10^-6 [1,414214^2+4*1 (1-1)]/4*1

C1 <= 50 nF

Protože je první kondenzátor vypočítán tak, aby byl menší nebo roven 50 nF, byla zvolena následující hodnota kondenzátoru.

C1 = 33 nF

Pro výpočet prvního odporu potřebného pro tento nízkoprůchodový filtr druhého řádu s mezní frekvencí 150 Hz byla následující rovnice vyřešena jak pomocí vypočtených hodnot kondenzátoru, tak pomocí koeficientů K, a a b. R1 = 2/[(mezní frekvence)*[aC2*sqrt ([(a^2+4b (K-1)) C2^2-4bC1C2])]

R1 = 9478 ohmů

Pro výpočet druhého rezistoru byla použita následující rovnice. Mezní frekvence je opět 150 Hz a koeficient b je 1.

R2 = 1/[bC1C2R1 (mezní frekvence)^2]

R2 = 35,99 kOhmA Po výpočtu výše uvedených hodnot pro rezistory a kondenzátory potřebné pro zářezový filtr druhého řádu byl vytvořen následující obvod, který ukazuje aktivní dolní propust, která bude použita. OP/AMP je napájen kladnými a zápornými 15 volty, jak je znázorněno na obrázku. Bypass kondenzátory jsou připojeny ke zdrojům energie, takže jakýkoli střídavý signál, který vychází ze zdroje, je přesměrován na zem, aby se zajistilo, že OP/AMP nebude tímto signálem smažen. K otestování této fáze obvodu EKG by měl být uzel vstupního signálu připojen k sinusové vlně a mělo by být provedeno střídání AC od 1 Hz do 200 Hz, aby se zjistilo, jak filtr funguje.

Krok 3: Vytvořte filtr Notch

Zářezový filtr je nesmírně důležitou součástí mnoha obvodů pro měření nízkofrekvenčních signálů. Na nízkých frekvencích je střídavý šum 60 Hz extrémně běžný, protože jde o frekvenci střídavého proudu procházejícího budovami ve Spojených státech. Ten šum 60 Hz je nepohodlný, protože je ve středu propustného pásma pro EKG, ale zářezový filtr může odstranit konkrétní frekvence při zachování zbytku signálu. Při navrhování tohoto zářezového filtru je velmi důležité mít vysoce kvalitní faktor Q, který zajistí, že odříznutí mezní hodnoty bude kolem bodu zájmu ostré. Níže jsou uvedeny výpočty použité ke konstrukci aktivního zářezového filtru, který bude použit v obvodu EKG.

Nejprve je třeba převést požadovanou frekvenci 60 Hz z Hz na rad/s.

frekvence = 2*pi*frekvence

frekvence = 376,99 rad/s

Dále by měla být vypočítána šířka pásma snížení frekvencí. Tyto hodnoty jsou určeny způsobem, který zajistí, že hlavní požadovaná frekvence, 60 Hz, bude zcela odříznuta a jen málo okolních frekvencí bude mírně ovlivněno.

Šířka pásma = Cutoff2-Cutoff1

Šířka pásma = 37,699 Dále je třeba určit faktor kvality. Faktor kvality určuje, jak je zářez ostrý a jak úzké rozhraní začíná. To se vypočítá pomocí šířky pásma a frekvence zájmu. Q = frekvence/šířka pásma

Q = 10

Pro tento filtr je zvolena snadno dostupná hodnota kondenzátoru. Kondenzátor nemusí být velký a rozhodně by neměl být příliš malý.

C = 100 nF

Pro výpočet prvního rezistoru použitého v tomto aktivním zářezovém filtru byl použit následující vztah zahrnující faktor kvality, požadovanou frekvenci a zvolený kondenzátor.

R1 = 1/[2QC*frekvence]

R1 = 1326,29 Ohm

Druhý odpor použitý v tomto filtru se vypočítá pomocí následujícího vztahu.

R2 = 2Q/[frekvence*C]

R2 = 530516 Ohm

Konečný odpor pro tento filtr se vypočítá pomocí předchozích dvou hodnot odporu. Očekává se, že bude velmi podobný prvnímu vypočítanému odporu.

R3 = R1*R2/[R1+R2]

R3 = 1323 ohmů

Poté, co se pomocí výše popsaných rovnic vypočítají všechny hodnoty složek, by měl být zkonstruován následující zářezový filtr, který bude přesně odfiltrovat střídavý šum 60 Hz, který naruší signál EKG. OP/AMP by měl být napájen kladnými a zápornými 15 volty, jak ukazuje následující obvod. Bypass kondenzátory jsou připojeny ze zdrojů napájení na OP/AMP, takže jakýkoli střídavý signál přicházející ze zdroje energie je přesměrován na zem, aby se zajistilo, že OP/AMP nebude smažen. Chcete -li otestovat tuto část obvodu, vstupní signál by měl být připojen k sinusové vlně a střídání by mělo být provedeno od 40 Hz do 80 Hz, aby bylo vidět filtrování signálu 60 Hz.

Krok 4: Vytvořte program LabVIEW pro výpočet srdeční frekvence

LabVIEW je užitečný nástroj pro běh nástrojů i pro sběr dat. Ke sběru dat EKG se používá deska DAQ, která čte vstupní napětí vzorkovací frekvencí 1 kHz. Tato vstupní napětí jsou poté vyvedena na graf, který se používá k zobrazení záznamu EKG. Shromážděná data pak procházejí maximálním vyhledávačem, který vydává načtené maximální hodnoty. Tyto hodnoty umožňují vypočítat práh špičky při 98% maxima výstupu. Poté se detektor špiček použije k určení, kdy jsou data větší než tato prahová hodnota. Tato data spolu s časem mezi vrcholy lze použít ke stanovení srdeční frekvence. Tento jednoduchý výpočet přesně určí srdeční frekvenci ze vstupních napětí načtených deskou DAQ.

Krok 5: Testování

Po konstrukci obvodů jste připraveni je uvést do provozu! Nejprve by měl být každý stupeň testován střídavým pohybem frekvencí od 0,05 Hz do 200 Hz. Vstupní napětí by nemělo být větší než 15 mV od špičky k vrcholu, aby signál nebyl omezen omezeními OP/AMP. Dále připojte všechny obvody a znovu spusťte úplné střídání, abyste se ujistili, že vše funguje správně. Poté, co jste spokojeni s výstupem celého obvodu, je čas se k němu připojit. Umístěte kladnou elektrodu na pravé zápěstí a zápornou elektrodu na levé zápěstí. Umístěte uzemňovací elektrodu na kotník. Připojte výstup celého obvodu k vaší desce DAQ a spusťte program LabVIEW. Váš signál EKG by nyní měl být viditelný na grafu průběhu v počítači. Pokud tomu tak není nebo je zkreslený, zkuste snížit zisk obvodu na přibližně 10 změnou příslušného zesílení. To by mělo umožnit čtení signálu programem LabVIEW.