Digitální EKG a monitor srdečního tepu: 8 kroků

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

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 obvodu k přístroji využívaly energii baterie a další správné izolační techniky

Elektrokardiogram (EKG) zaznamenává elektrické signály během srdečního cyklu. Pokaždé, když srdce bije, probíhá cyklus depolarizace a hyperpolarizace buněk myokardu. Depolarizaci a hyperpolarizaci lze zaznamenat elektrodami a lékaři tyto informace přečtou, aby se dozvěděli více o fungování srdce. EKG může určit infarkt myokardu, fibrilaci síní nebo komor, tachykardii a bradykardii [1]. Po zjištění, jaký je problém z EKG, mohou lékaři úspěšně diagnostikovat a léčit pacienta. Postupujte podle níže uvedených kroků, abyste se dozvěděli, jak si vyrobit vlastní záznamové zařízení pro elektrokardiogram!

Krok 1: Materiály

Součásti obvodu:

• Pět operačních zesilovačů UA741
• Rezistory
• Kondenzátory
• Propojovací vodiče
• Deska DAQ
• Software LabVIEW

Zkušební zařízení:

• Generátor funkcí
• zdroj stejnosměrného proudu
• Osciloskop
• BNC kabely a T-splitter
• Propojovací kabely
• Klipy aligátora
• Banánové zátky

Krok 2: Zesilovač instrumentace

Prvním stupněm obvodu je zesilovač instrumentace. To zesiluje biologický signál, takže je možné rozlišit různé složky EKG.

Schéma zapojení zesilovače přístrojů je uvedeno výše. Zesílení prvního stupně tohoto obvodu je definováno jako K1 = 1 + 2*R2 / R1. Zisk druhého stupně obvodu je definován jako K2 = R4 / R3. Celkový zisk přístrojového zesilovače je K1 * K2. Požadovaný zisk pro tento projekt byl přibližně 1000, takže K1 byl vybrán jako 31 a K2 byl vybrán jako 33. Hodnoty odporu pro tyto zisky jsou uvedeny výše ve schématu zapojení. Můžete použít výše uvedené hodnoty odporů, nebo je můžete upravit tak, aby dosáhly požadovaného zesílení. **

Jakmile vyberete hodnoty komponent, obvod lze zkonstruovat na prkénku. Aby se zjednodušilo zapojení obvodů na desce, záporná vodorovná lišta nahoře byla nastavena jako zem, zatímco dvě vodorovné lišty dole byly nastaveny na +/- 15 V.

První operační zesilovač byl umístěn na levou stranu prkénka, aby byl ponechán prostor pro všechny zbývající součásti. Přílohy byly přidány v chronologickém pořadí kolíků. To usnadňuje sledování toho, jaké kousky byly přidány nebo ne. Jakmile jsou všechny piny hotové pro operační zesilovač 1, lze umístit další operační zesilovač. Opět se ujistěte, že je relativně blízko, abyste nechali prostor. Stejný proces chronologického zapojení byl dokončen pro všechny operační zesilovače, dokud nebyl dokončen přístrojový zesilovač.

Kromě schématu zapojení pak byly přidány obtokové kondenzátory, aby se zbavila AC vazby ve vodičích. Tyto kondenzátory byly umístěny paralelně s napájecím zdrojem stejnosměrného napětí a uzemněny na horní vodorovné záporné kolejnici. Tyto kondenzátory by měly být v rozsahu 0,1 až 1 microFarad. Každý operační zesilovač má dva obtokové kondenzátory, jeden pro pin 4 a jeden pro pin 7. Oba kondenzátory na každém operačním zesilovači musí mít stejnou hodnotu, ale mohou se lišit od operačního zesilovače k operačnímu zesilovači.

Aby bylo možné testovat zesílení, byl ke vstupu a výstupu zesilovače připojen funkční generátor a osciloskop. Vstupní signál byl také připojen k osciloskopu. K určení zesílení byla použita jednoduchá sinusová vlna. Vstup výstupu generátoru funkcí do dvou vstupních svorek zesilovače instrumentace. Nastavte osciloskop na měření poměru výstupního signálu ke vstupnímu signálu. Zisk obvodu v decibelech je Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). Pro zisk 1000 je zisk v decibelech 60 dB. Pomocí osciloskopu můžete určit, zda zesílení vytvořeného obvodu odpovídá vašim specifikacím, nebo zda je třeba změnit některé hodnoty odporu, aby se obvod zlepšil.

Jakmile je přístrojový zesilovač správně sestaven a funguje, můžete přejít na zářezový filtr.

** Ve výše uvedeném schématu zapojení R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Krok 3: Zářezový filtr

Účelem zářezového filtru je odstranit hluk z nástěnného napájecího zdroje 60 Hz. Zářezový filtr zeslabuje signál na mezní frekvenci a předává frekvence nad a pod ní. Pro tento obvod je požadovaná mezní frekvence 60 Hz.

Řídicí rovnice pro výše uvedené schéma zapojení jsou R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) a R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), kde Q je faktor kvality a w je 2 * pi * (mezní frekvence). Faktor kvality 8 udává hodnoty odporu a kondenzátoru v rozumném rozsahu. Lze předpokládat, že hodnoty kondenzátoru jsou všechny stejné. Můžete si tedy vybrat hodnotu kondenzátoru, která je ve vašich soupravách k dispozici. Hodnoty odporu zobrazené v obvodu výše jsou pro mezní frekvenci 60 Hz, faktor kvality 8 a hodnotu kondenzátoru 0,22 uF.

Protože se kondenzátory přidávají paralelně, byly dva kondenzátory zvolené hodnoty C umístěny paralelně, aby bylo dosaženo hodnoty 2C. Do operačního zesilovače byly také přidány obtokové kondenzátory.

Chcete -li otestovat filtr zářezu, připojte výstup z generátoru funkcí ke vstupu filtru zářezu. Vstup a výstup obvodu sledujte na osciloskopu. Chcete -li mít účinný zářezový filtr, měli byste mít zisk menší nebo rovný -20 dB na mezní frekvenci. Protože komponenty nejsou ideální, může být obtížné toho dosáhnout. Vypočtené hodnoty odporu a kondenzátoru vám nemusí poskytnout požadovaný zisk. To bude vyžadovat provedení změn hodnot odporu a kondenzátoru.

Chcete -li to provést, zaměřte se vždy na jednu součást. Zvyšte a snižte hodnotu jedné komponenty beze změny dalších. Sledujte účinky, které to má na zisk obvodu. K dosažení požadovaného zisku to může vyžadovat hodně trpělivosti. Pamatujte, můžete přidat rezistory do série pro zvýšení nebo snížení hodnot rezistorů. Změnou, která nejvíce zlepšila náš zisk, bylo zvýšení jednoho z kondenzátorů na 0,33 uF.

Krok 4: Nízkoprůchodový filtr

Dolní propust odstraňuje šum vyšší frekvence, který může interferovat se signálem EKG. K zachycení informací o průběhu EKG postačuje dolní propust 40 Hz. Některé složky EKG však překračují 40 Hz. Lze také použít mezní hodnotu 100 Hz nebo 150 Hz [2].

Konstruovaný dolní propust je Butterworthův filtr druhého řádu. Protože zisk našeho obvodu je určen přístrojovým zesilovačem, chceme pro dolní propust zesílení 1 v pásmu. Pro zisk 1 je RA zkratován a RB je rozpojeno ve schématu zapojení výše [3]. V obvodu C1 = 10 / (fc) uF, kde fc je mezní frekvence. C1 by měla být menší nebo rovna C2 * a^2 / (4 * b). Pro Butterworthův filtr druhého řádu a = sqrt (2) a b = 1. Zapojením hodnot pro a a b se rovnice pro C2 zjednoduší na méně než nebo rovnou C1 / 2. Potom R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a^2 * C2^2-4 * b * C1 * C2))] a R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), kde w = 2 * pi * fc. Výpočty pro tento obvod byly dokončeny, aby poskytly mezní hodnotu 40 Hz. Hodnoty odporu a kondenzátoru, které splňují tyto specifikace, jsou uvedeny ve výše uvedeném schématu zapojení.

Operační zesilovač byl umístěn na pravou stranu prkénka, protože po něm nebudou přidány žádné další komponenty. K dokončení obvodu byly do operačního zesilovače přidány odpory a kondenzátory. Do operačního zesilovače byly také přidány obtokové kondenzátory. Vstupní svorka zůstala prázdná, protože vstup bude pocházet z výstupního signálu zářezového filtru. Pro účely testování byl však na vstupní kolík umístěn vodič, aby bylo možné izolovat dolní propust a jednotlivě ji otestovat.

Jako vstupní signál byla použita sinusová vlna z funkčního generátoru a pozorována na různých frekvencích. Sledujte na osciloskopu vstupní i výstupní signály a určete zesílení obvodu na různých frekvencích. Pro dolní propust by měl být zisk na mezní frekvenci -3 dB. Pro tento obvod by mělo dojít k přerušení při 40 Hz. Frekvence pod 40 Hz by měly mít malý nebo žádný útlum ve své křivce, ale jak se frekvence zvyšuje nad 40 Hz, zisk by měl nadále klesat.

Krok 5: Sestavení fázových obvodů

Jakmile zkonstruujete každý stupeň obvodu a otestujete je samostatně, můžete je všechny připojit. Výstup zesilovače instrumentace by měl být připojen ke vstupu zářezového filtru. Výstup zářezového filtru by měl být připojen ke vstupu dolní propusti.

Chcete -li obvod otestovat, připojte vstup generátoru funkcí ke vstupu stupně zesilovače instrumentace. Vstup a výstup obvodu sledujte na osciloskopu. Můžete testovat s předprogramovanou vlnou EKG z generátoru funkcí nebo se sinusovou vlnou a sledovat účinky vašeho obvodu. Na výše uvedeném obrázku osciloskopu je žlutá křivka vstupním průběhem a zelená křivka je výstupem.

Jakmile připojíte všechny své obvody a předvedete, že funguje správně, můžete připojit výstup z vašeho obvodu k desce DAQ a začít programovat v LabVIEW.

Krok 6: Program LabVIEW

Kód LabVIEW má detekovat údery na metr ze simulované vlny EKG na různých frekvencích. Pro programování v LabVIEW musíte nejprve identifikovat všechny komponenty. Analogově digitální převodník, známý také jako deska pro sběr dat (DAQ), musí být nastaven a nastaven tak, aby běžel nepřetržitě. Výstupní signál z obvodu je připojen ke vstupu desky DAQ. Graf průběhu v programu LabVIEW je připojen přímo k výstupu asistenta DAQ. Výstup z dat DAQ také přejde na identifikátor max/min. Signál pak prochází multiplikačním aritmetickým operátorem. K výpočtu prahové hodnoty se používá numerický ukazatel 0,8. Když signál překročí 0,8*Maximum, je detekován vrchol. Kdykoli byla tato hodnota nalezena, byla uložena v indexovém poli. Dva datové body jsou uloženy v indexovém poli a jsou vloženy do aritmetického operátoru odčítání. Mezi těmito dvěma hodnotami byla zjištěna změna času. Poté se pro výpočet srdeční frekvence 60 dělí časovým rozdílem. Číselný indikátor, který je zobrazen vedle výstupního grafu, vydává srdeční frekvenci v úderech za minutu (bpm) vstupního signálu. Jakmile je program nastaven, měl by být celý vložen do souvislé smyčky while. Různé frekvenční vstupy poskytují různé hodnoty tepů za minutu.

Krok 7: Shromážděte data EKG

Nyní můžete do svého obvodu zadat simulovaný signál EKG a zaznamenávat data do svého programu LabVIEW! Změňte frekvenci a amplitudu simulovaného EKG, abyste zjistili, jak to ovlivňuje zaznamenaná data. Při změně frekvence byste měli zaznamenat změnu vypočítané srdeční frekvence. Úspěšně jste navrhli EKG a monitor srdečního tepu!

Krok 8: Další vylepšení

Zkonstruované zařízení bude dobře fungovat pro získávání simulovaných signálů EKG. Pokud byste však chtěli zaznamenávat biologické signály (nezapomeňte dodržovat příslušná bezpečnostní opatření), měly by být provedeny další úpravy obvodů, aby se zlepšilo čtení signálu. K odstranění artefaktů DC ofsetu a nízkofrekvenčního pohybu by měl být přidán vysokopásmový filtr. Zisk zesilovače přístrojů by měl být také desetkrát snížen, aby zůstal v použitelném rozsahu pro LabVIEW a operační zesilovače.

Prameny

[1] S. Meek a F. Morris, „Úvod. II-základní terminologie. “, BMJ, roč. 324, č. 7335, s. 470–3, únor 2002.

[2] Chia-Hung Lin, funkce frekvenční domény pro EKG porazili diskriminaci pomocí šedého klasifikátoru založeného na relační analýze, In Computers & Mathematics with Applications, Volume 55, Issue 4, 2008, Pages 680-690, ISSN 0898-1221, [3] „Filtr druhého řádu | Nízkoprůchodový filtr druhého řádu. “Základní elektronické výukové programy, 9. září 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…