Vytvořte si vlastní EKG!: 10 kroků

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

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

Tlukot srdce se skládá z rytmických kontrakcí regulovaných spontánní prezentací elektrických depolarizací v srdečních myocytech (svalových buňkách srdce). Takovou elektrickou aktivitu lze zachytit umístěním neinvazivních záznamových elektrod podél různých poloh těla. I při úvodním pochopení obvodů a bioelektřiny lze tyto signály zachytit relativně snadno. V tomto Instructable představujeme zjednodušující metodiku, kterou lze použít k zachycení elektrokardiografického signálu s praktickým a levným vybavením. V celém textu budeme zdůrazňovat základní aspekty při získávání takových signálů a současné techniky pro programatickou analýzu signálů.

Krok 1: Přehled funkcí

Zařízení, které stavíte, bude fungovat prostřednictvím následujících funkcí:

1. Záznamy elektrod
2. Přístrojový zesilovač
3. Zářezový filtr
4. Nízkoprůchodový filtr
5. Analogově-digitální převod
6. Analýza signálu pomocí LabView

Některé klíčové komponenty, které budete potřebovat:

1. NI LabView
2. Deska pro sběr dat NI (pro vstupy do LabView)
3. DC napájecí zdroj (pro napájení operačních zesilovačů)
4. Elektrodové podložky pro záznam elektrod
5. NEBO generátor funkcí, který může vytvářet simulovaný signál EKG

Začněme!

Krok 2: Navrhněte dolní propust

Normální EKG obsahuje identifikovatelné rysy průběhu signálu nazývaného vlna P, komplex QRS a vlna T. Všechny funkce EKG se objeví ve frekvenčním rozsahu pod 250 Hz, a proto je důležité při záznamu EKG z elektrod zachytit pouze funkce, které nás zajímají. Nízkopásmový filtr s mezní frekvencí 250 Hz zajistí, že v signálu nebude zachycen žádný vysokofrekvenční šum

Krok 3: Navrhněte zářezový filtr

Zářezový filtr na frekvenci 60 Hz je užitečný k odstranění šumu z jakéhokoli napájecího zdroje spojeného se záznamem EKG. Mezní frekvence mezi 56,5 Hz a 64 Hz umožní průchod signálů s frekvencemi mimo tento rozsah. Na filtr byl aplikován faktor kvality 8. Byla zvolena kapacita 0,1 uF. Experimentální odpory byly vybrány následovně: R1 = R3 = 1,5 kOhms, R2 = 502 kOhms. Tyto hodnoty byly použity ke konstrukci zářezového filtru.

Krok 4: Navrhněte přístrojový zesilovač

Přístrojový zesilovač se ziskem 1000 V/V zesílí všechny filtrované signály, což umožní snadné měření. Zesilovač používá řadu operačních zesilovačů a je rozdělen na dva stupně (levý a pravý) s příslušným ziskem K1 a K2. Na výše uvedeném obrázku je schéma obvodů, kterých lze dosáhnout tohoto výsledku, a na obrázku 6 jsou podrobnosti provedených výpočtů.

Krok 5: Spojte to všechno dohromady

Tři stupně zesílení a filtrace jsou kombinovány na obrázku 7 níže. Přístrojový zesilovač zesiluje sinusový frekvenční vstup se ziskem 1000V/V. Dále filtr zářezů odstraní veškerou frekvenci signálu 60 Hz s faktorem kvality 8. Nakonec signál prochází dolní propustí, která zeslabuje signály nad frekvencí 250 Hz. Na výše uvedeném obrázku je zobrazen celý experimentálně vytvořený systém.

Krok 6:… a ujistěte se, že to funguje

Pokud máte generátor funkcí, měli byste sestrojit křivku frekvenční odezvy, abyste zajistili správnou odezvu. Obrázek výše ukazuje celý systém a křivku frekvenční odezvy, kterou byste měli očekávat. Pokud se zdá, že váš systém funguje, jste připraveni přejít na další krok: převod analogového signálu na digitální!

Krok 7: (Volitelné) Vizualizujte své EKG na osciloskopu

EKG zaznamenává signál dvěma elektrodami a jako uzemnění používá třetí elektrodu. S vašimi elektrodami pro záznam EKG vložte jeden do jednoho vstupu zesilovače instrumentace, druhý do druhého vstupu zesilovače instrumentace a připojte třetí k uzemnění na vaší desce. Dále položte jednu elektrodu na jedno zápěstí, druhou na druhé zápěstí a uzemněte si kotník. Toto je konfigurace svodu 1 pro EKG. Pro vizualizaci signálu na vašem osciloskopu použijte sondu osciloskopu k měření výstupu třetího stupně.

Krok 8: Získejte data pomocí National Instruments DAQ

Pokud chcete analyzovat váš signál v LabView, budete potřebovat nějaký způsob, jak sbírat analogová data z vašeho EKG a přenášet je do počítače. Existují nejrůznější způsoby, jak získávat data! National Instruments je společnost, která se specializuje na zařízení pro sběr dat a zařízení pro analýzu dat. Jsou dobrým místem k hledání nástrojů pro sběr dat. Můžete si také koupit svůj levný analogový převodník na digitální čip a použít Raspberry Pi k přenosu signálu! Toto je pravděpodobně levnější varianta. V tomto případě jsme již měli modul NI DAQ a NI ADC a LabView, takže jsme se drželi přísně hardwaru a softwaru National Instruments.

Krok 9: Import dat do LabVIEW

Pro analýzu dat shromážděných z analogového zesilovacího/filtračního systému byl použit vizuální programovací jazyk LabVIEW. Data byla sbírána z jednotky NI DAQ pomocí DAQ Assistant, vestavěné funkce sběru dat v LabVIEW. Pomocí ovládacích prvků LabView byl počet vzorků a doba trvání pro sběr vzorků zadána programově. Ovládací prvky jsou ručně nastavitelné, což uživateli umožňuje snadno doladit vstupní parametry. S celkovým počtem vzorků a známou dobou trvání byl vytvořen časový vektor s každou hodnotou indexu představující odpovídající čas v každém vzorku v zachyceném signálu.

Krok 10: Formátujte, analyzujte a jste hotovi

Data z funkce asistenta DAQ byla převedena do použitelného formátu. Signál byl znovu vytvořen jako 1D pole dvojic tak, že nejprve byl převeden výstupní datový typ DAQ na datový typ tvaru vlny a poté převeden na (X, Y) seskupený pár dvojic. Každá hodnota Y z páru (X, Y) byla vybrána a vložena do původně prázdného 1D pole dvojic pomocí smyčkové struktury. 1D pole dvojic a odpovídající časový vektor bylo vyneseno do grafu XY. Současně byla identifikována maximální hodnota 1D pole dvojic s funkcí identifikace maximální hodnoty. Šest desetin maximální hodnoty bylo použito jako práh pro algoritmus detekce vrcholů integrovaný do LabView. Vrcholové hodnoty 1D pole dvojic byly identifikovány pomocí funkce detekce píku. Se známou polohou píku byl vypočítán časový rozdíl mezi každým píkem. Tento časový rozdíl v jednotkách sekund na vrchol byl převeden na vrcholy za minutu. Výsledná hodnota byla považována za reprezentaci srdeční frekvence v úderech za minutu.

A je to! Nyní jste shromáždili a analyzovali signál EKG!