Navrhování digitálního monitoru a obvodu EKG: 5 kroků

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2025-01-23 14:38

Nejedná se o 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

Cílem tohoto projektu je vybudovat obvod, který může zesilovat a filtrovat signál EKG, známý také jako elektrokardiogram. K určení srdeční frekvence a srdečního rytmu lze použít EKG, protože je schopen detekovat elektrické signály, které procházejí různými částmi srdce během různých fází srdečního cyklu. Zde používáme přístrojový zesilovač, zářezový filtr a dolní propust pro zesílení a filtrování EKG. Poté se pomocí LabView vypočítají údery za minutu a zobrazí se grafické znázornění EKG. Hotový výrobek je vidět výše.

Krok 1: Zesilovač instrumentace

Nezbytný zisk pro přístrojový zesilovač je 1000 V/V. To by umožnilo dostatečné zesílení příchozího signálu, který je mnohem menší. Zesilovač přístrojového vybavení je rozdělen na dvě části, stupeň 1 a stupeň 2. Zisk každého stupně (K) by měl být podobný, takže při vzájemném násobení je zisk kolem 1000. Pro výpočet zisku se používají níže uvedené rovnice.

K1 = 1 + ((2*R2)/R1)

K2 = -R4/R3

Z těchto rovnic byly zjištěny hodnoty R1, R2, R3 a R4. K vybudování obvodu viděného na obrázcích byly použity tři operační zesilovače a odpory uA741. Operační zesilovače jsou napájeny 15 V ze stejnosměrného napájecího zdroje. Vstup zesilovače přístrojů byl připojen k generátoru funkcí a výstup byl připojen k osciloskopu. Poté bylo provedeno rozmítání střídavého proudu a bylo zjištěno zesílení zesilovače instrumentace, jak je vidět na grafu „Zisk zesilovače instrumentace“výše. Nakonec byl obvod znovu vytvořen v LabView, kde byla spuštěna simulace zisku, jak je vidět na černém grafu výše. Výsledky potvrdily, že obvod funguje správně.

Krok 2: Zářezový filtr

Zářezový filtr se používá k odstranění šumu, který se vyskytuje při 60 Hz. Hodnoty složek lze vypočítat pomocí níže uvedených rovnic. Byl použit faktor kvality (Q) 8. C byl vybrán s ohledem na dostupné kondenzátory.

R1 = 1/(2*Q*ω*C)

R2 = 2*Q/(ω*C)

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

Byly nalezeny hodnoty odporu a kondenzátoru a byl zkonstruován výše uvedený obvod, kde lze vypočítané hodnoty vidět. Operační zesilovač byl napájen stejnosměrným napájecím zdrojem se vstupem připojeným k generátoru funkcí a výstupem do osciloskopu. Spuštění AC Sweep vedlo k grafu „Notch Filter AC Sweep“výše, což ukazuje, že frekvence 60 Hz byla odstraněna. Abychom to potvrdili, byla spuštěna simulace LabView, která potvrdila výsledky.

Krok 3: Nízkoprůchodový filtr

Používá se nízkoprůchodový filtr druhého řádu Butterworth s mezní frekvencí 250 Hz. K vyřešení hodnot odporu a kondenzátoru byly použity níže uvedené rovnice. U těchto rovnic byla mezní frekvence v Hz změněna na rad/s, což bylo zjištěno na 1570,8. Byl použit zisk K = 1. Hodnoty pro a a b byly dodány tak, aby byly 1,414214, respektive 1.

R1 = 2 / (wc (a C2 + sqrt (a^2 + 4 b (K - 1)) C2^2 - 4 b C1 C2))

R2 = 1/ (b C1 C2 R1 wc^2)

R3 = K (R1 + R2) / (K - 1)

R4 = K (R1 + R2)

C1 = (C2 (a^2 + 4 b (K-1)) / (4 b)

C2 = (10 / fc)

Jakmile byly hodnoty vypočítány, obvod byl zkonstruován s hodnotami, které lze vidět na jednom z výše uvedených obrázků. Je třeba poznamenat, že protože byl použit zisk 1, R3 byl nahrazen otevřeným obvodem a R4 byl nahrazen zkratem. Jakmile byl obvod sestaven, operační zesilovač byl napájen 15 V ze stejnosměrného zdroje. Podobně jako u ostatních komponent byly vstup a výstup připojeny k generátoru funkcí a osciloskopu. Byl vytvořen diagram AC rozmítání, který je vidět na výše uvedeném „Low Pass Filter AC Sweep“. Graf v černé v simulaci obvodu LabView, potvrzující naše výsledky.

Krok 4: LabVIEW

Program LabVIEW zobrazený na obrázku slouží k výpočtu úderů za minutu a k zobrazení vizuální reprezentace vstupního EKG. Asistent DAQ získá vstupní signál a nastaví parametry vzorkování. Graf průběhu pak vykreslí vstup, který DAQ přijímá v uživatelském rozhraní, aby se zobrazil uživateli. Na vstupních datech se provádí více analýz. Maximální hodnoty vstupních dat se zjišťují pomocí identifikátoru Max/Min a parametry pro detekci píků se nastavují pomocí Peak Detection. Pomocí indexového pole umístění píků, času mezi maximálními hodnotami danými komponentou Změna času a různých aritmetických operací se BPM vypočítá a zobrazí jako numerický výstup.

Krok 5: Dokončený obvod

Jakmile byly připojeny všechny komponenty, byl celý systém testován pomocí simulovaného signálu EKG. Poté byl obvod použit k filtrování a zesílení lidského EKG s výsledky zobrazenými prostřednictvím výše uvedeného programu LabView. Elektrody byly připevněny k pravému zápěstí, levému zápěstí a levému kotníku. Levé zápěstí a pravé zápěstí byly připojeny ke vstupům zesilovače instrumentace, zatímco levý kotník byl připojen k zemi. Výstup dolní propusti byl poté připojen k DAQ Assistant. Pomocí stejného blokového diagramu LabView jako dříve byl program spuštěn. Při průchodu lidského EKG byl z výstupu celého systému vidět jasný a stabilní signál, který je vidět na obrázku výše.