Monitor EKG: 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 mezi obvodem a přístrojem používaly správné izolační techniky.

Elektrokardiografie je proces záznamu elektrických signálů generovaných srdcem pacienta za účelem získání informací o srdeční činnosti. Aby byl elektrický signál efektivně zachycen, musí být filtrován a zesilován prostřednictvím elektrických komponent. Informace musí být také uživateli předloženy jasným a účinným způsobem.

Následující Instructable popisuje, jak vybudovat obvody zesílení/filtrování a také uživatelské rozhraní. Zahrnuje vybudování přístrojového zesilovače, zářezového filtru, nízkoprůchodového filtru a uživatelského rozhraní v LabVIEW.

Prvním krokem v procesu je definovat požadavky analogového obvodu. Po definování požadavků se rozhoduje o tom, jaké primární komponenty budou obvod tvořit. Později jsou řešeny menší detaily týkající se charakteristik těchto hlavních součástek a nakonec je fáze návrhu obvodu uzavřena definováním přesných hodnot každého odporu a kondenzátoru v obvodu.

Krok 1: Definování požadavků a primárních komponent

Úkolem obvodu je zesílit signál EKG generovaný pacientem a odfiltrovat veškerý související šum. Surový signál se skládá ze složitého průběhu s maximální amplitudou zhruba 2 mV a frekvenčních složek v rozsahu 100 Hz až 250 Hz v komplexu QRS. Toto je signál, který má být zesílen a zaznamenán.

Kromě toho je signál, který nás zajímá, produkován šumem z několika zdrojů. Napájecí zdroje generují hluk 60 Hz a pohyb pacienta vytváří artefakty v rozsahu méně než 1 Hz. Více vysokofrekvenčního šumu je způsobeno radiačním zářením a telekomunikačními signály, jako jsou mobilní telefony a bezdrátový internet. Tato kolekce šumu je signál, který má být filtrován.

Obvod musí nejprve zesílit surový signál. Poté musí odfiltrovat šum 60 Hz a jakýkoli jiný šum nad 160 Hz. Filtrování nízkofrekvenčního šumu spojeného s pohybem pacienta je považováno za zbytečné, protože pacient může být jednoduše poučen, aby zůstal v klidu.

Protože je signál měřen jako rozdíl potenciálu mezi dvěma elektrodami umístěnými na pacientovi, je zesílení dosaženo použitím přístrojového zesilovače. Mohl by být také použit jednoduchý rozdílový zesilovač, ale přístrojové zesilovače často fungují lépe, pokud jde o potlačení šumu a tolerance. Filtrování 60 Hz je dosaženo použitím zářezového filtru a zbytek vysokofrekvenčního filtrování je dosaženo použitím nízkoprůchodového filtru. Tyto tři prvky tvoří celý analogový obvod.

Při znalosti tří prvků obvodu lze definovat menší detaily týkající se zisků, mezních frekvencí a šířek pásma komponent.

Přístrojový zesilovač bude nastaven na zisk 670. To je dostatečně velké na záznam malého signálu EKG, ale také dostatečně malé na to, aby zajistilo, že se operační zesilovače při testování obvodu se signály blízkými 20 mV chovají ve svém lineárním rozsahu je u některých generátorů funkcí minimum.

Filtr zářezu bude vystředěn na 60 Hz.

Dolní propust bude mít mezní frekvenci 160 Hz. To by mělo stále zachytit většinu komplexu QRS a odmítnout vysokofrekvenční hluk na pozadí.

Krok 2: Zesilovač instrumentace

Výše uvedená schémata popisují zesilovač instrumentace.

Zesilovač má dva stupně. První stupeň se skládá ze dvou operačních zesilovačů vlevo od výše uvedených obrázků a druhý stupeň sestává z jediného operačního zesilovače vpravo. Zisk každého z nich lze libovolně modulovat, ale rozhodli jsme se jej vybudovat se ziskem 670 V/V. Toho lze dosáhnout následujícími hodnotami odporu:

R1: 100 ohmů

R2: 3300 ohmů

R3: 100 ohmů

R4: 1000 ohmů

Krok 3: Zářezový filtr

Výše uvedená schémata popisují zářezový filtr. Jedná se o aktivní filtr, takže bychom se mohli rozhodnout zesílit nebo zeslabit signál, pokud bychom chtěli, ale již jsme dosáhli veškerého nezbytného zesílení, takže jsme zvolili zisk jednoho pro tento operační zesilovač. Střední frekvence by měla být 60 Hz a faktor kvality by měl být 8. Toho lze dosáhnout pomocí následujících hodnot komponent:

R1: 503 ohmů

R2: 128612 ohmů

R3: 503 ohmů

C: 0,33 mikroFaradů

Krok 4: Nízkoprůchodový filtr

Opět se jedná o aktivní filtr, takže si můžeme zvolit jakýkoli zisk, který chceme, ale vybereme 1. Toho dosáhneme tak, že R4 nahoře změníme na zkrat a R3 na otevřený obvod. Zbytek je, stejně jako u ostatních komponent, dosažen použitím našich dříve definovaných požadavků v kombinaci s rovnicemi, kterými se řídí obvody, k získání hodnot jednotlivých prvků:

R1: 12056 ohmů

R2: 19873,6 ohmů

C1: 0,047 mikroFarad

C2: 0,1 mikroFarad

Krok 5: Navrhněte celý obvod prakticky

Navrhování obvodu v softwaru pro vytváření virtuálních obvodů, jako je PSPICE, může být velmi užitečné při chytání chyb a zpevňování plánů, než přejdeme ke skutečné výrobě analogových obvodů. V tomto okamžiku je možné zachytit střídavé pohyby obvodu, aby se zajistilo, že se vše chová podle plánu.

Krok 6: Vybudujte plný obvod

Okruh lze postavit jakýmkoli způsobem, ale pro tento případ byl vybrán prkénko.

Doporučuje se montáž na prkénko, protože je to jednodušší než pájení, ale pájení by poskytlo větší trvanlivost. Doporučuje se také umístit obtokový kondenzátor 0,1 microFarad na zem paralelně se zdrojem energie, protože to pomáhá eliminovat nežádoucí odchylky od konstantního výkonu.

Krok 7: Uživatelské rozhraní LabVIEW

Uživatelské rozhraní LabVIEW je prostředkem pro převod z analogových signálů na vizuální a numerické reprezentace signálu EKG, které jsou pro uživatele snadno interpretovatelné. K převodu signálu z analogového na digitální se používá deska DAQ a data se importují do LabVIEW.

Software je objektový program, který pomáhá při zpracování dat a vytváření rozhraní. Data jsou nejprve vizuálně znázorněna grafem a poté je provedeno určité zpracování signálu za účelem určení frekvence srdečního tepu, aby bylo možné zobrazit jej vedle grafu.

Aby bylo možné určit frekvenci srdeční frekvence, je třeba detekovat údery srdce. Toho lze dosáhnout pomocí objektu detekce píku Lab VIEW. Objekt vydává indexy vrcholů v přijatém datovém poli, které pak lze použít ve výpočtech k určení času, který prochází mezi údery srdce.

Protože detaily LabVIEW by byly zcela odlišným Instructable, ponecháme podrobnosti jinému zdroji. Přesné fungování programu lze vidět v blokovém schématu uvedeném výše.

Krok 8: LabVIEW Konečné uživatelské rozhraní

Konečné uživatelské rozhraní zobrazuje zesílený, filtrovaný, převedený a zpracovaný signál spolu s odečtem srdeční frekvence v tepech za minutu