Digitální monitor EKG a srdeční frekvence: 7 kroků (s obrázky)

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

Elektrokardiogram nebo EKG je velmi stará metoda měření a analýzy zdraví srdce. Signál načtený z EKG může indikovat zdravé srdce nebo řadu problémů. Spolehlivý a přesný design je důležitý, protože pokud signál EKG ukazuje deformovaný průběh nebo nesprávný srdeční tep, může dojít k nesprávné diagnostice osoby. Cílem je navrhnout obvod EKG, který je schopen zachytit, zesílit a filtrovat signál EKG. Poté převeďte tento signál pomocí A/D převodníku na Labview a vytvořte graf v reálném čase a srdeční tep v BPM signálu EKG. Výstupní průběh by měl vypadat jako na tomto obrázku.

Toto není lékařské zařízení. Toto je pouze pro vzdělávací účely pomocí simulovaných signálů. Pokud používáte tento obvod pro skutečné měření EKG, zajistěte, aby obvod a připojení mezi obvodem a přístrojem používaly správné izolační techniky

Krok 1: Navrhování obvodu

Obvod musí být schopen přijímat a zesilovat signál EKG. Abychom to mohli provést, spojíme tři aktivní filtry; přístrojový zesilovač, Butterworthův dolní propust druhého řádu a filtr Notch. Konstrukce těchto obvodů je vidět na obrázcích. Projdeme je po jednom a pak je dáme dohromady, abychom dokončili celý okruh.

Krok 2: Zesilovač instrumentace

Zisk zesilovače instrumentace musí být 1000 V/V, aby byl získán dobrý signál. Zesílení pomocí přístrojového zesilovače probíhá ve dvou fázích. První stupeň se skládá ze dvou operačních zesilovačů vlevo a odporu R1 a R2 a druhý stupeň zesílení se skládá z operačního zesilovače vpravo a odporů R3 a R4. Zisk (zesílení) pro stupeň 1 a stupeň 2 je uveden v rovnici (1) a (2).

Fáze 1 zisk: K1 = 1 + (2R2/R1) (1)

Zisk fáze 2: K2 = R4/R3 (2)

Důležitá poznámka o zisku v obvodech je multiplikativní; např. zisk celkového obvodu na obrázku 2 je K1*K2. Tyto rovnice vytvářejí hodnoty uvedené ve schématu. Materiály potřebné pro tento filtr jsou tři operační zesilovače LM741, tři odpory 1 k ohm, dva odpory 24,7 kohm a dva odpory 20 kohm.

Krok 3: Zářezový filtr

Další fází je Notch Filter pro omezení šumu při 60 Hz. Tuto frekvenci je třeba snížit, protože v důsledku rušení elektrického vedení je při 60 Hz spousta dalšího šumu, ale ze signálu EKG neodstraní nic významného. Hodnoty pro komponenty použité v obvodu jsou založeny na frekvenci, kterou chcete odfiltrovat, v tomto případě 60 Hz (377 rad/s). Složkové rovnice jsou následující

R1 = 1/ (6032*C)

R2 = 16 / (377*C)

R3 = (R1R2)/ (R1 + R2)

K tomu byly zapotřebí jeden operační zesilovač LM741, tři odpory s hodnotami 1658 ohmů, 424,4 kohm a 1651 ohmů a 3 kondenzátory, dva při 100 nF a jeden při 200 nF.

Krok 4: Nízkoprůchodový filtr

Poslední fází je Butterworthův dolní propust druhého řádu s mezní frekvencí 250 Hz. Toto je mezní frekvence, protože signál EKG se pohybuje maximálně do 250 Hz. Rovnice pro hodnoty složek ve filtru jsou definovány v následujících rovnicích:

R1 = 2/ (1571 (1,4C2 + řazení (1,4^2 * C2^2 - 4C1C2)))

R2 = 1 / (1571*C1*C2*R1)

C1 <(C2 *1,4^2) / 4

Materiály potřebné pro tento filtr byly jeden operační zesilovač LM741, dva odpory 15,3 kohm a 25,6 kohm a dva kondenzátory 47 nF a 22 nF.

Jakmile jsou všechny tři stupně navrženy a postaveny, konečný obvod by měl vypadat jako na fotografii.

Krok 5: Testování obvodu

Poté, co je obvod sestaven, je třeba jej otestovat, aby bylo zajištěno, že funguje správně. Na každém filtru je třeba spustit střídání AC pomocí vstupního srdečního signálu o frekvenci 1 Hz z napěťového generátoru. Odezva velikosti v dB by měla vypadat jako na obrázcích. Pokud jsou výsledky z cyklu AC správné, obvod je dokončen a připraven k použití. Pokud reakce nejsou správné, je třeba obvod odladit. Začněte kontrolou všech připojení a napájecích vstupů, abyste se ujistili, že vše má dobré připojení. Pokud se tím problém nevyřeší, pomocí rovnic pro součásti filtrů upravte hodnoty odporů a kondenzátorů podle potřeby, dokud nebude výstup tam, kde má být.

Krok 6: Budování VUI v Labview

Labview je software pro sběr digitálních dat, který uživateli umožňuje navrhnout VUI nebo virtuální uživatelské rozhraní. Deska DAQ je A/D převodník, který dokáže převádět a přenášet signál EKG do Labview. Pomocí tohoto softwaru lze signál EKG vykreslit do grafu amplituda vs. čas, aby byl signál jasně čten a poté převeden na srdeční tep v BPM. První věc, která je k tomu zapotřebí, je deska DAQ, která získává data a převádí je na digitální signál, který odesílá do počítače do Labview. První věc, kterou bylo třeba do návrhu Labview přidat, byl DAQ Assistant, který získává signál z desky DAQ a definuje parametry vzorkování. Dalším krokem je připojení grafu vlny k výstupu asistenta DAQ v návrhu VUI, který vykreslí signál EKG zobrazující průběh EKG. Nyní, když je graf průběhu dokončen, je třeba data také převést, aby se vytvořil numerický výstup srdeční frekvence. Prvním krokem tohoto výpočtu bylo nalezení maxima dat EKG připojením prvku max/min k výstupu dat DAQ ve VUI a následným výstupem k jinému prvku zvanému detekce píku a k prvku, který by našel změna času zvaná dt. Prvek detekce píku také potřeboval prahovou hodnotu z max/min, která byla vypočtena tak, že bylo odebráno maximum z prvku max min a vynásobeno 0,8, aby bylo nalezeno 80% maximální hodnoty, a poté bylo vloženo do prvku detekce píku. Tato prahová hodnota umožnila prvku detekce píku najít maximum vlny R a umístění, na kterém se maximum objevilo, přičemž ignorovala ostatní vrcholy signálu. Umístění vrcholů bylo poté odesláno do prvku indexového pole přidaného dále do VUI. Prvek indexového pole byl nastaven tak, aby se ukládal na pole s a index začínající na 0, a pak další počínaje indexem 1. Poté byly tyto od sebe odečteny, aby se našel rozdíl dvou umístění píku, který odpovídá počtu bodů mezi každým vrcholem. Počet bodů vynásobený časovým rozdílem mezi jednotlivými body poskytuje čas potřebný pro každý úder. Toho bylo dosaženo vynásobením výstupu z prvku dt a výstupem odečtením dvou polí. Toto číslo bylo poté vyděleno 60, aby se našly údery za minutu, a poté se zobrazilo pomocí prvku numerického indikátoru na VUI. Nastavení návrhu VUI v Labview je znázorněno na obrázku.

Krok 7: Dejte to všechno dohromady

Jakmile je VUI dokončeno na Labview, posledním krokem je připojení obvodu k desce DAQ, takže signál prochází obvodem, do desky, pak do Labview. Pokud vše funguje správně, signál 1 Hz by měl vytvářet průběh znázorněný na obrázku a srdeční tep 60 úderů za minutu. Nyní máte funkční EKG a digitální monitor srdečního tepu.