EKG a monitor srdečního tepu: 7 kroků (s obrázky)

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.

Jedním z nejdůležitějších diagnostických nástrojů používaných k detekci těchto stavů je elektrokardiogram (EKG). Elektrokardiogram funguje tak, že sleduje elektrický impuls skrz vaše srdce a přenáší ho zpět do přístroje [1]. Signál je snímán z elektrod umístěných na těle. Umístění elektrod je zásadní pro zachycení fyziologických signálů, protože fungují tak, že zaznamenávají rozdíl potenciálu v celém těle. Standardní umístění elektrod je použití Einthoven Triangle. Zde je jedna elektroda umístěna na pravé paži, levé paži a levé noze. Levá noha funguje jako uzemnění elektrod a zachycuje frekvenční šum v těle. Pravá paže má zápornou elektrodu a levá má kladnou elektrodu pro výpočet rozdílu potenciálu v hrudníku, a proto odebírá elektrickou energii ze srdce [2]. Cílem tohoto projektu bylo vytvořit zařízení, které dokáže úspěšně získat signál EKG a jasně reprodukovat signál bez šumu a s přidáním měření tepové frekvence.

Krok 1: Materiály a nástroje

• Různé odpory a kondenzátory
• Prkénko
• Generátor funkcí
• Osciloskop
• zdroj stejnosměrného proudu
• Operační zesilovače
• Počítač s nainstalovaným LABView
• BNC kabely
• Asistent DAQ

Krok 2: Sestavte přístrojový zesilovač

Aby se dostatečně zesílil bioelektrický signál, celkový zisk dvoustupňového přístrojového zesilovače by měl být 1 000. Každý stupeň se vynásobí, aby se získal celkový zisk, a rovnice použité pro výpočet jednotlivých stupňů jsou uvedeny níže.

Stupeň 1 zisk: K1 = 1+2*R2/R1 Stupeň 2 zisk: K2 = -R4/R3

Pomocí výše uvedených rovnic byly hodnoty odporu, které jsme použili, R1 = 10kΩ, R2 = 150kΩ, R3 = 10kΩ a R4 = 33kΩ. Abyste zajistili, že tyto hodnoty budou poskytovat požadovaný výstup, můžete jej simulovat online nebo jej můžete otestovat pomocí osciloskopu po sestavení fyzického zesilovače.

Po připojení vybraných rezistorů a operačních zesilovačů na desce budete potřebovat napájet operační zesilovače ± 15 V ze stejnosměrného napájecího zdroje. Dále připojte generátor funkcí ke vstupu zesilovače přístrojů a osciloskop k výstupu.

Výše uvedená fotografie ukazuje, že dokončený přístrojový zesilovač bude vypadat jako na prkénku. Chcete -li zkontrolovat, zda funguje správně, nastavte generátor funkcí tak, aby produkoval sinusovou vlnu na 1kHz s amplitudou špička -špička 20 mV. Výstup ze zesilovače na osciloskopu by měl mít špičkovou amplitudu 20 V, protože při správné funkci je zisk 1000.

Krok 3: Vytvořte filtr Notch

Kvůli hluku elektrického vedení byl k odfiltrování šumu při 60 Hz, což je hluk elektrického vedení ve Spojených státech, zapotřebí filtr. Byl použit zářezový filtr, protože filtruje konkrétní frekvenci. K výpočtu hodnot odporu byly použity následující rovnice. Kvalitativní faktor (Q) 8 fungoval dobře a pro snadnou konstrukci byly zvoleny hodnoty kondenzátoru 0,1 uF. Frekvence v rovnicích (znázorněná jako w) je zářezová frekvence 60 Hz vynásobená 2π.

R1 = 1/(2QwC)

R2 = 2Q/(wC)

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

Pomocí výše uvedených rovnic byly hodnoty odporu, které jsme použili, R1 = 1,5 kΩ, R2 = 470 kΩ a R3 = 1,5 kΩ. Abyste zajistili, že tyto hodnoty budou poskytovat požadovaný výstup, můžete jej simulovat online nebo jej můžete otestovat pomocí osciloskopu po sestavení fyzického zesilovače.

Výše uvedený obrázek ukazuje, jak bude hotový zářezový filtr vypadat na prkénku. Nastavení pro operační zesilovače je stejné jako u přístrojového zesilovače a funkční generátor by měl být nyní nastaven tak, aby produkoval sinusovou vlnu na 1kHz s amplitudou špička-špička 1V. Pokud provádíte AC Sweep, měli byste být schopni ověřit, že jsou odfiltrovány frekvence kolem 60 Hz.

Krok 4: Vytvořte dolní propust

Aby se odfiltroval vysokofrekvenční šum, který nesouvisí s EKG, byl vytvořen dolní propust s mezní frekvencí 150 Hz.

R1 = 2/(w [aC2+sqrt (a2+4b (K-1)) C2^2-4b*C1*C2)

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

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

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

R4 = K (R1+R2)

Pomocí výše uvedených rovnic byly hodnoty odporu, které jsme použili, R1 = 12 kΩ, R2 = 135 kΩ, C1 = 0,01 µF a C2 = 0,068 µF. Hodnoty pro R3 a R4 skončily nulové, protože jsme chtěli, aby zisk, K, filtru byl nulový, proto jsme zde ve fyzickém nastavení použili místo odporů dráty. Abyste zajistili, že tyto hodnoty budou poskytovat požadovaný výstup, můžete jej simulovat online nebo jej můžete otestovat pomocí osciloskopu po sestavení fyzického zesilovače.

Chcete-li vytvořit fyzický filtr, připojte vybrané odpory a kondenzátory k operačnímu zesilovači podle schématu. Zapněte operační zesilovač a připojte generátor funkcí a osciloskop stejným způsobem, jak je popsáno v předchozích krocích. Nastavte generátor funkcí tak, aby produkoval sinusovou vlnu na 150 Hz a s amplitudou špička-špička asi 1 V. Jelikož 150Hz by měla být mezní frekvence, pokud filtr funguje správně, velikost by na této frekvenci měla být 3dB. To vám řekne, zda je filtr správně nastaven.

Krok 5: Spojte všechny součásti dohromady

Po sestavení každé součásti a jejich samostatném testování je lze všechny zapojit do série. Připojte funkční generátor ke vstupu zesilovače přístrojů a poté připojte jeho výstup ke vstupu zářezového filtru. Proveďte to znovu připojením výstupu zářezového filtru ke vstupu nízkoprůchodového filtru. Výstup dolní propusti by se pak měl připojit k osciloskopu.

Krok 6: Nastavení LabVIEW

Průběh srdeční frekvence EKG byl poté zachycen pomocí asistenta DAQ a LabView. Asistent DAQ získává analogové signály a definuje parametry vzorkování. Propojte asistenta DAQ s generátorem funkcí vydávajícím srdeční signál arb a s počítačem pomocí LabView. Nastavte LabView podle výše uvedeného schématu. Asistent DAQ přinese srdeční vlnu z generátoru funkcí. Chcete -li graf zobrazit, přidejte do nastavení LabView také graf průběhu. Pomocí numerických operátorů nastavte práh maximální hodnoty. V uvedeném schématu bylo použito 80%. Špičková analýza by měla být také použita k nalezení špičkových lokalit a jejich propojení se změnou času. Vynásobte špičkovou frekvenci 60, abyste mohli vypočítat údery za minutu, a toto číslo bylo zobrazeno vedle grafu.

Krok 7: Nyní můžete zaznamenat EKG

[1] „Elektrokardiogram - Informační centrum srdce srdce Texas Heart Institute.“[Online]. K dispozici: https://www.texasheart.org/HIC/Topics/Diag/diekg.cfm. [Přístup: 09-Dec-2017].

[2] „EKG vede, polarita a Einthovenův trojúhelník - studentský fyziolog.“[Online]. K dispozici: https://thephysiologist.org/study-materials/the-ecg-leads-polarity-and-einthovens-triangle/. [Přístup: 10. prosince 2017].