Helppo automatisoitu EKG (1 vahvistin, 2 suodatinta): 7 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:01

Elektrokardiogrammi (EKG) mittaa ja näyttää sydämen sähköisen toiminnan erilaisilla iholle asetetuilla elektrodeilla. EKG voidaan luoda instrumenttivahvistimella, lovisuodattimella ja alipäästösuodattimella. Lopuksi suodatettu ja vahvistettu signaali voidaan visualisoida LabView -ohjelmiston avulla. LabView käyttää myös signaalin tulevaa taajuutta ihmisen sydämenlyönnin laskemiseen. Rakennettu instrumentointivahvistin onnistui ottamaan kehon pienen signaalin ja vahvistamaan sen 1 V: iin, joten sitä voitiin katsella tietokoneella LabView -ohjelmalla. Ura- ja alipäästösuodattimet onnistuivat vähentämään virtalähteistä tulevaa 60 Hz: n kohinaa ja häiritseviä signaaleja yli 350 Hz: n. Sydämen lyönnin levossa mitattiin olevan 75 lyöntiä minuutissa ja 137 lyöntiä minuutissa viiden minuutin intensiivisen harjoituksen jälkeen. Rakennettu EKG pystyi mittaamaan sykkeen realistisilla arvoilla ja visualisoimaan tyypillisen EKG -aaltomuodon eri komponentit. Tulevaisuudessa tätä EKG: tä voitaisiin parantaa muuttamalla lovisuodattimen passiivisia arvoja, jotta melua voidaan vähentää noin 60 Hz.

Vaihe 1: Luo instrumenttivahvistin

Tarvitset: LTSpice (tai muun piirin visualisointiohjelmiston)

Instrumenttivahvistin luotiin lisäämään signaalin kokoa niin, että se näkyy ja mahdollistaa aaltomuodon analysoinnin.

Käyttämällä R1 = 3,3 k ohmia, R2 = 33 k ohmia, R3 = 1 k ohmia, R4 = 48 ohmia saavutetaan X: n vahvistus. Vahvistus = -R4/R3 (1+R2/R1) = -47k/1k (1- (33k/3.3k)) = -1008

Koska viimeisessä op -vahvistimessa signaali menee käänteiseen nastaan, vahvistus on 1008. Tämä malli luotiin LTSpice -ohjelmassa ja sitten simuloitiin AC -pyyhkäisyllä 1 - 1 kHz 100 pisteellä vuosikymmenessä siniaaltotulolle, jonka AC -amplitudi on 1 V.

Tarkistimme, että voitto oli samanlainen kuin suunniteltu voitto. Kaaviosta löysimme Gain = 10^(60/20) = 1000, joka on riittävän lähellä aiottua vahvistusta 1008.

Vaihe 2: Luo lovisuodatin

Tarvitset: LTSpice (tai muun piirin visualisointiohjelmiston)

Lovisuodatin on tietyntyyppinen alipäästösuodatin, jota seuraa ylipäästösuodatin tietyn taajuuden poistamiseksi. Lokisuodatinta käytetään poistamaan kaikkien elektronisten laitteiden aiheuttama melu, joka esiintyy taajuudella 60 Hz.

Passiiviset arvot laskettiin: C =.1 uF (arvo valittiin) 2C =.2 uF (käytetty.22 uF kondensaattori)

AQ-kerrointa 8 käytetään: R1 = 1/(2*Q*2*pi*f*C) = 1/(2*8*2*3,14159*60*.1E-6) = 1,66 kOhm (1,8 kOhm käytettiin) R2 = 2Q/(2*pi*f*C) = (2*8)/(60 Hz*2*3,14159*.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm oli Jännitejako: Rf = R1 * R2 / (R1 + R2) = 1,8 kOhm * 423 kOhm / (1,8 kOhm + 423 kOhm) = 1,79 kOhm (käytettiin 1,8 kOhm)

Tämän suodatinrakenteen vahvistus on 1, mikä tarkoittaa, ettei vahvistavia ominaisuuksia ole.

Liittämällä passiiviset arvot ja simuloimalla LTSpice -laitteella AC -pyyhkäisyllä ja 0,1 V: n siniaallon tulosignaalilla 1 kHz: n AC -taajuudella saadaan liitetty bode -käyrä.

Noin 60 Hz: n taajuudella signaali saavuttaa alimman jännitteen. Suodatin pystyy poistamaan 60 Hz: n kohinaa huomaamattomaan 0,01 V: n jännitteeseen ja antamaan 1 vahvistuksen, koska tulojännite on.1 V.

Vaihe 3: Luo alipäästösuodatin

Tarvitset: LTSpice (tai muun piirin visualisointiohjelmiston)

Alipäästösuodatin luotiin poistamaan kiinnostuksen kynnyksen yläpuolella olevat signaalit, jotka sisältäisivät EKG -signaalin. Kiinnostava kynnys oli 0 - 350 Hz.

Kondensaattorin arvoksi valittiin.1 uF. Tarvittava vastus lasketaan korkealle rajataajuudelle 335 Hz: C = 0,1 uF R = 1/(2pi*0,1*(10^-6)*335 Hz) = 4,75 kOhm (käytettiin 4,7 kOhm)

Liittämällä passiiviset arvot ja simuloimalla LTSpice -laitteella AC -pyyhkäisyllä ja 0,1 V: n siniaallon tulosignaalilla 1 kHz: n AC -taajuudella saadaan liitetty bode -käyrä.

Vaihe 4: Luo piiri leipälevylle

Tarvitset: eri arvojen vastuksia, eri arvojen kondensaattoreita, operaatiovahvistimia UA 471, hyppyjohtoja, leipälevyn, liitäntäkaapelit, virtalähteen tai 9 V: n akun

Nyt kun olet simuloinut piirisi, on aika rakentaa se leipälevylle. Jos luettelossa ei ole tarkkoja arvoja, käytä tarvitsemiasi arvoja tai yhdistä vastukset ja kondensaattorit tarvittavien arvojen määrittämiseksi. Muista käyttää leipälautaa 9 voltin paristolla tai tasavirtalähteellä. Jokainen op -vahvistin tarvitsee positiivisen ja negatiivisen jännitelähteen.

Vaihe 5: Määritä LabView -ympäristö

Tarvitset: LabView -ohjelmiston, tietokoneen

Aaltomuodon näytön ja sykkeen laskemisen automatisoimiseksi käytettiin LabView -ohjelmaa. LabView on ohjelma, jota käytetään tietojen visualisointiin ja analysointiin. EKG -piirin lähtö on LabView -tulo. Tiedot syötetään, piirretään ja analysoidaan alla esitetyn lohkokaavion perusteella.

Ensinnäkin DAQ Assistant ottaa analogisen signaalin piiristä. Näytteenotto -ohjeet on määritetty täällä. Näytteenottotaajuus oli 1k näytettä sekunnissa ja väli oli 3k ms, joten aaltomuodon kaaviossa näkyvä aikaväli on 3 sekuntia. Waveform Graph vastaanotti tiedot DAQ Assistantilta ja piirtää sen sitten etupaneelin ikkunaan. Lohkokaavion alempi osa sisältää sykelaskennan. Ensin mitataan aallon maksimi ja minimi. Sitten näitä amplitudimittauksia käytetään määrittämään, esiintyykö huippuja, jotka määritellään 95%: iin maksimiamplitudista, ja jos niin, ajankohta kirjataan. Kun piikit on havaittu, amplitudi ja ajankohta tallennetaan matriiseihin. Sitten huippujen/ sekuntien määrä muutetaan minuutteiksi ja näytetään etupaneelissa. Etupaneeli näyttää aaltomuodon ja lyönnit minuutissa.

Piiri liitettiin LabVIEW -laitteeseen National Instruments ADC: n kautta yllä olevan kuvan mukaisesti. Toimintogeneraattori tuotti simuloidun EKG -signaalin, joka syötettiin ADC: hen, joka siirsi tiedot LabView'lle piirtämistä ja analysointia varten. Lisäksi kun BPM oli laskettu LabVIEW -ohjelmassa, numeerista indikaattoria käytettiin tulostamaan tämä arvo sovelluksen etupaneeliin aaltomuodon kaavion viereen, kuten kuvassa 2.

Vaihe 6: Testaa piiri käyttämällä toimintogeneraattoria

Tarvitset: piirilevyn, liitäntäkaapelit, virtalähteen tai 9 V: n akun, National Instruments ADC: n, LabView -ohjelmiston, tietokoneen

LabView -instrumentoinnin testaamiseksi piiriin syötettiin simuloitu EKG ja piirin lähtö liitettiin LabView -laitteeseen National Instruments ADC: n kautta. Ensin piiriin syötettiin 20 mVpp 1 Hz: n signaali leposykkeen simuloimiseksi. LabView -etupaneeli näkyy alla olevassa kuvassa. P, T, U -aalto ja QRS -kompleksi ovat kaikki näkyvissä. BMP on laskettu oikein ja näkyy numeerisessa ilmaisimessa. Piirin läpi on noin 8 V/0,02 V = 400 vahvistusta, joka on samanlainen kuin mitä näimme, kun piiri liitettiin oskilloskooppiin. Kuva tuloksesta LabView'ssa on liitteenä. Seuraavaksi sydämen lyönnin simuloimiseksi esimerkiksi harjoituksen aikana piiriin syötettiin 20 mVpp: n signaali 2 Hz: llä. Testissä oli vertailukelpoinen voitto leposykkeessä. Aaltomuodon alla nähdään olevan kaikki samat osat kuin ennen vain nopeammin. Syke lasketaan ja näytetään numeerisessa ilmaisimessa ja näemme odotetun 120 BPM.

Vaihe 7: Testaa piiri käyttämällä ihmistä

Tarvitset: piirilevyn, liitäntäkaapelit, virtalähteen tai 9 V: n akun, National Instruments ADC: n, LabView -ohjelmiston, tietokoneen, elektrodit (vähintään kolme), ihmisen

Lopuksi piiri testattiin ihmisen EKG -johtojen tulolla piiriin ja piirin ulostulolla LabView -järjestelmään. Kolme elektrodia asetettiin kohteeseen saadakseen todellisen signaalin. Elektrodit asetettiin molemmille ranteille ja oikealle nilkalle. Oikea ranne oli positiivinen, vasen ranne negatiivinen ja nilkka maadoitettu. Tiedot syötettiin jälleen LabView -käsittelyyn, ja elektrodikonfiguraatio on liitetty kuvaksi.

Ensinnäkin kohteen lepotilassa oleva EKG -signaali näytettiin ja analysoitiin. Lepotilassa tutkittavan syke oli noin 75 lyöntiä minuutissa. Koehenkilö osallistui sitten intensiiviseen fyysiseen aktiivisuuteen 5 minuutin ajan. Kohde yhdistettiin uudelleen ja nostettu signaali tallennettiin. Syke oli noin 137 lyöntiä minuutissa aktiivisuuden jälkeen. Tämä signaali oli pienempi ja siinä oli enemmän melua. Elektrodit asetettiin molemmille ranteille ja oikealle nilkalle. Oikea ranne oli positiivinen, vasen ranne negatiivinen ja nilkka maadoitettu. Tiedot syötettiin jälleen LabView -käsittelyyn.

Keskimääräisen ihmisen EKG -signaali on noin 1 mV. Odotettu voitto oli noin 1000, joten odotamme 1 V: n lähtöjännitettä. Kuvassa XX näkyvästä levossa olevasta tallennuksesta QRS-kompleksin amplitudi on suunnilleen (-0,7)-(-1,6) = 0,9 V. Tämä tuottaa 10% virheen. (1-0,9)/1*100 = 10% Tavallisen ihmisen leposyke on 60, mitattu noin 75, tämä tuottaa | 60-75 |*100/60 = 25% virheen. Normaalin ihmisen syke on 120, mitattu noin 137, tämä tuottaa | 120-137 |*100/120 = 15% virheen.

Onnittelut! Olet nyt rakentanut oman automaattisen EKG: si.