Jednoduchý obvod pro záznam EKG a monitor srdeční frekvence LabVIEW: 5 kroků

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

Toto není lékařské zařízení. Toto je pouze pro vzdělávací účely pomocí simulovaných signálů. Pokud používáte tento obvod pro skutečné měření EKG, zajistěte, aby obvod a připojení mezi obvodem a přístrojem používaly správné izolační techniky

Jedním z nejzákladnějších aspektů moderní zdravotní péče je schopnost zachytit srdeční vlnu pomocí EKG nebo elektrokardiogramu. Tato technika využívá povrchové elektrody k měření různých elektrických obrazců vyzařovaných ze srdce, takže výstup lze použít jako diagnostický nástroj k diagnostice srdečních a plicních stavů, jako jsou různé formy tachykardie, větvový blok a hypertrofie. Pro diagnostiku těchto stavů je výstupní průběh porovnán s normálním signálem EKG.

Aby se vytvořil systém, který dokáže získat křivku EKG, musí být signál nejprve zesílen a poté vhodně filtrován, aby se odstranil šum. Za tímto účelem lze pomocí zesilovačů OP postavit třístupňový obvod.

Tento Instructable poskytne informace potřebné k návrhu a následnému vybudování jednoduchého obvodu schopného zaznamenávat signál EKG pomocí povrchových elektrod a poté tento signál filtrovat pro další zpracování a analýzu. Kromě toho tento Instructable načrtne jednu techniku používanou k analýze tohoto signálu za účelem vytvoření grafické reprezentace výstupu obvodu a také metodu pro výpočet srdeční frekvence z výstupu obvodu EKG.

Poznámka: Při navrhování každé fáze nezapomeňte provádět střídání střídavého proudu jak experimentálně, tak prostřednictvím simulací, abyste zajistili požadované chování obvodu.

Krok 1: Navrhněte a sestrojte zesilovač instrumentace

Prvním stupněm v tomto obvodu EKG je přístrojový zesilovač, který se skládá ze tří OP zesilovačů. První dva OP zesilovače jsou vstupy s vyrovnávací pamětí, které jsou poté přiváděny do třetího OP zesilovače, který funguje jako diferenciální zesilovač. Signály z těla musí být ukládány do vyrovnávací paměti, jinak se výstup sníží, protože tělo nemůže poskytovat velký proud. Diferenční zesilovač využívá rozdíl mezi dvěma vstupními zdroji, aby poskytl měřitelný rozdíl potenciálu, a současně ruší běžný šum. Tato fáze má také zisk 1000, což zesiluje typické mV na čitelnější napětí.

Zisk obvodu 1000 pro přístrojový zesilovač se vypočítá z uvedených rovnic. Zisk stupně 1 přístrojového zesilovače se vypočítá podle (2) a zisk stupně 2 zesilovače instrumentace se vypočítá podle (3). K1 a K2 byly vypočítány tak, aby se navzájem nelišily o více než 15.

Pro zisk 1000 bylo možné K1 nastavit na 40 a K2 na 25. Hodnoty odporu lze vypočítat všechny, ale tento konkrétní přístrojový zesilovač použil níže uvedené hodnoty odporu:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

Krok 2: Navrhněte a vytvořte filtr Notch

Další fází je zářezový filtr pro odstranění signálu 60 Hz, který pochází z elektrické zásuvky.

V zářezovém filtru je hodnota odporu R1 vypočítána podle (4), hodnota R2 podle (5) a hodnota R3 podle (6). Faktor kvality obvodu Q je nastaven na 8, protože to dává rozumnou mez chyby a přitom je realisticky přesné. Hodnotu Q lze vypočítat pomocí (7). Poslední řídící rovnice zářezového filtru se používá pro výpočet šířky pásma a je popsána v (8). Kromě faktoru kvality 8 měl zářezový filtr další konstrukční specifikace. Tento filtr je navržen tak, aby měl zisk 1, takže by neměnil signál, zatímco odstraňuje signál 60 Hz.

Podle těchto rovnic R1 = 11,0524 kΩ, R2 = 2,829 MΩ, R3 = 11,009 kΩ a C1 = 15 nF

Krok 3: Navrhněte a zkonstruujte dolní propust Butterworthova filtru 2. řádu

Poslední fází je nízkoprůchodový filtr, který odstraní všechny signály, které se mohou vyskytovat nad nejvyšší frekvenční složkou vlny EKG, například šum WiFi a další okolní signály, které by mohly odvádět pozornost od požadovaného signálu. Bod -3 dB pro tento stupeň by měl být kolem nebo blízko 150 Hz, protože standardní rozsah signálů přítomných v rozsahu vln EKG od 0,05 Hz do 150 Hz.

Při navrhování nízkoprůchodového Butterworthova filtru druhého řádu je obvod opět nastaven tak, aby měl zisk 1, což umožnilo jednodušší návrh obvodu. Před provedením jakýchkoli dalších výpočtů je důležité poznamenat, že požadovaná mezní frekvence dolního filtru je nastavena na 150 Hz. Nejjednodušší je začít výpočtem hodnoty kondenzátoru 2, C2, protože na této hodnotě závisí další rovnice. C2 lze vypočítat pomocí (9). Na základě výpočtu C2 lze C1 vypočítat pomocí (10). V případě tohoto nízkoprůchodového filtru jsou koeficienty a a b definovány tam, kde a = 1,414214, a b = 1. Hodnota odporu R1 se vypočítá podle (11) a hodnota odporu R2 se vypočítá podle (12).

Byly použity následující hodnoty:

R1 = 13,842 kΩ

R2 = 54,36 kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

Krok 4: Nastavení programu LabVIEW používaného pro získávání a analýzu dat

Dále lze počítačový program LabView použít k vytvoření úkolu, který vytvoří grafické znázornění srdečního tepu ze signálu EKG a vypočítá srdeční frekvenci ze stejného signálu. Program LabView toho dosahuje tím, že nejprve přijímá analogový vstup z desky DAQ, která také funguje jako převodník analogového signálu na digitální. Tento digitální signál je poté dále analyzován a vykreslen, kde graf ukazuje grafické znázornění signálu vstupujícího do desky DAQ. Tvar signálu je analyzován odebráním 80% maximálních hodnot přijímaného digitálního signálu a poté používá funkci detektoru špiček k detekci těchto špiček signálu. Program současně vezme průběh a vypočítá časový rozdíl mezi špičkami průběhu. Detekce píku je spojena s doprovodnými hodnotami buď 1 nebo 0, kde 1 představuje vrchol pro vytvoření indexu umístění píků, a tento index se pak použije ve spojení s časovým rozdílem mezi píky k matematickému výpočtu srdeční frekvence v tepů za minutu (BPM). Zobrazí se blokové schéma, které bylo použito v programu LabView.

Krok 5: Kompletní montáž

Jakmile zkonstruujete všechny své obvody a program LabVIEW a zajistíte, aby vše fungovalo správně, jste připraveni zaznamenat signál EKG. Na obrázku je možné schéma sestavy celého obvodového systému.

Připojte kladnou elektrodu k pravému zápěstí a jeden ze zakroužkovaných vstupů zesilovače instrumentace a zápornou elektrodu k levému zápěstí a ke vstupu druhého zesilovače instrumentace podle obrázku. Na pořadí vstupu elektrody nezáleží. Nakonec položte na kotník zemnící elektrodu a připojte ji k uzemnění ve vašem obvodu. Blahopřejeme, dokončili jste všechny kroky nutné k záznamu a signálu EKG.