Yksinkertainen EKG -piiri ja LabVIEW -sykeohjelma: 6 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Elektrokardiogrammi tai EKG on erittäin tehokas diagnostiikka- ja seurantajärjestelmä, jota käytetään kaikissa lääketieteellisissä käytännöissä. EKG: itä käytetään sydämen sähköisen toiminnan graafiseen tarkkailuun tarkistaakseen poikkeavuuksia sykkeessä tai sähköisessä signaloinnissa.

EKG -lukemasta potilaan syke voidaan määrittää QRS -kompleksien välisen ajan mukaan. Lisäksi voidaan havaita muita sairauksia, kuten odottava sydänkohtaus ST -segmentin kohoamisen vuoksi. Tällaiset lukemat voivat olla ratkaisevia potilaan diagnoosin ja hoidon kannalta. P -aalto näyttää sydämen eteisen supistumisen, QRS -käyrä on kammioiden supistuminen ja T -aalto on sydämen repolarisaatio. Tällaisten yksinkertaisten tietojen tietäminen voi diagnosoida potilaat nopeasti epänormaalista sydämen toiminnasta.

Lääkinnällisessä käytännössä käytetyssä vakio -EKG: ssä on seitsemän elektrodia, jotka on sijoitettu lievään puoliympyrän muotoon sydämen alaosan ympärille. Tämä elektrodien sijoittelu mahdollistaa minimaalisen kohinan tallennuksen aikana ja mahdollistaa myös johdonmukaisemmat mittaukset. Käytämme luotua EKG -piiriä varten vain kolme elektrodia. Positiivinen tuloelektrodi asetetaan oikean sisäisen ranteen sisään, negatiivinen tuloelektrodi sijoitetaan vasemman sisäisen ranteen kohdalle ja maadoituselektrodi yhdistetään nilkaan. Tämä mahdollistaa lukemien ottamisen sydämen poikki suhteellisen tarkasti. Kun sijoitetaan instrumenttivahvistimeen, alipäästösuodattimeen ja lovisuodattimeen kytketyt elektrodit, EKG -aaltomuotojen pitäisi olla helposti erotettavissa lähtösignaalina luodusta piiristä.

HUOMAUTUS: Tämä ei ole lääketieteellinen laite. Tämä on tarkoitettu vain opetustarkoituksiin käyttäen simuloituja signaaleja. Jos käytät tätä piiriä todellisiin EKG-mittauksiin, varmista, että piiri ja piirin ja laitteen väliset liitännät käyttävät oikeita eristystekniikoita

Vaihe 1: Muodosta instrumentointivahvistin

Jos haluat rakentaa monivaiheisen instrumentin, jonka vahvistus on 1000 tai 60 dB, on käytettävä seuraavaa yhtälöä.

Vahvistus = (1+2*R1/Rgain)

R1 on yhtä suuri kuin kaikki instrumentointivahvistimessa käytetyt vastukset vahvistusvahvistusta lukuun ottamatta, mikä aiheuttaa tietyssä mielessä kaiken vahvistuksen osallistumisen vahvistimen ensimmäiseen vaiheeseen. Tämä valittiin 50,3 kΩ: ksi. Vahvistusvastuksen laskemiseksi tämä arvo kytketään yllä olevaan yhtälöön.

1000 = (1+2*50300/takaisin)

Rgain = 100,7

Kun tämä arvo on laskettu, instrumentointivahvistin voidaan rakentaa seuraavan piirin mukaisesti tässä vaiheessa. OP-/AMP -virtalähteiden virran tulee olla positiivinen ja negatiivinen 15 volttia piirikaavion mukaisesti. Jokaisen OP/AMP: n ohituskondensaattorit tulee sijoittaa OP/AMP: n lähelle sarjaan virtalähteen kanssa virtalähteestä maahan tulevan AC -signaalin vaimentamiseksi, jotta OP/AMP -laitteet eivät pääse paistumaan ja mahdolliset lisääänet signaaliin. Lisäksi piirien todellisen vahvistuksen testaamiseksi positiiviselle elektrodisolmulle on annettava sisääntulo -aalto ja negatiivinen elektrodisolmu on liitettävä maahan. Tämä mahdollistaa piirin vahvistuksen tarkan näkymisen tulosignaalilla, joka on alle 15 mV huippusta huippuun.

Vaihe 2: Rakenna toisen asteen alipäästösuodatin

Toisen asteen alipäästösuodatinta käytettiin poistamaan kohinaa, joka ylittää kiinnitystaajuuden EKG -signaalille, joka oli 150 Hz.

Toisen asteen alipäästösuodattimen laskemisessa käytetty K -arvo on vahvistus. Koska emme halua voittoa suodattimeemme, valitsimme vahvistusarvon 1, mikä tarkoittaa, että tulojännite on yhtä suuri kuin lähtöjännite.

K = 1

Toisen asteen Butterworth-suodattimelle, jota käytetään tässä piirissä, a- ja b-kertoimet määritellään alla. a = 1,414214 b = 1

Ensinnäkin toinen kondensaattorin arvo valitaan suhteellisen suureksi kondensaattoriksi, joka on helposti saatavilla laboratoriossa ja todellisessa maailmassa.

C2 = 0,1 F

Ensimmäisen kondensaattorin laskemiseen käytetään seuraavia suhteita sen ja toisen kondensaattorin välillä. K-, a- ja b -kertoimet liitettiin yhtälöön tämän arvon laskemiseksi.

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

C1 <= (0,1*10^-6 [1,414214^2+4*1 (1-1)]/4*1

C1 <= 50 nF

Koska ensimmäisen kondensaattorin on laskettu olevan pienempi tai yhtä suuri kuin 50 nF, valittiin seuraava kondensaattorin arvo.

C1 = 33 nF

Tämän toisen kertaluvun alipäästösuodattimen tarvitseman ensimmäisen vastuksen laskemiseksi, jonka rajataajuus on 150 Hz, seuraava yhtälö ratkaistiin käyttäen sekä laskettuja kondensaattoriarvoja että kertoimia K, a ja b. R1 = 2/[(rajataajuus)*[aC2*sqrt ([(a^2+4b (K-1)) C2^2-4bC1C2]

R1 = 9478 ohmia

Toisen vastuksen laskemiseksi käytettiin seuraavaa yhtälöä. Katkaisutaajuus on jälleen 150 Hz ja b -kerroin on 1.

R2 = 1/[bC1C2R1 (rajataajuus)^2]

R2 = 35,99 kOhm Kun edellä olevat arvot on laskettu toisen asteen lovisuodattimelle tarvittaville vastuksille ja kondensaattoreille, luotiin seuraava piiri, joka näyttää käytettävän aktiivisen alipäästösuodattimen. OP/AMP saa virtaa positiivisella ja negatiivisella 15 voltilla kaavion mukaisesti. Ohituskondensaattorit on kytketty virtalähteisiin niin, että kaikki lähteestä tuleva AC -signaali ohjataan maahan, jotta OP/AMP ei paista tätä signaalia. EKG -piirin tämän vaiheen testaamiseksi tulosignaalin solmu on kytkettävä siniaaltoon ja AC -pyyhkäisy 1 Hz - 200 Hz on suoritettava suodattimen toiminnan tarkastamiseksi.

Vaihe 3: Rakenna lovisuodatin

Lokasuodatin on erittäin tärkeä osa monia piirejä matalataajuisten signaalien mittaamiseen. Alhaisilla taajuuksilla 60 Hz: n vaihtokohina on erittäin yleinen, koska se on Yhdysvaltojen rakennusten läpi kulkevan vaihtovirran taajuus. Tämä 60 Hz: n kohina on hankalaa, koska se on EKG: n päästökaistan keskellä, mutta lovisuodatin voi poistaa tiettyjä taajuuksia säilyttäen loput signaalista. Tätä lovisuodatinta suunniteltaessa on erittäin tärkeää, että käytössä on korkea laatukerroin Q sen varmistamiseksi, että raja-arvon kallistuminen on terävää kohdepisteen ympärillä. Alla on laskelmat, joita on käytetty aktiivisen lovisuodattimen rakentamiseen, jota käytetään EKG -piirissä.

Ensin kiinnostava taajuus, 60 Hz, on muutettava Hz: stä rad/s: ksi.

taajuus = 2*pi*taajuus

taajuus = 376,99 rad/sekunti

Seuraavaksi lasketaan leikattujen taajuuksien kaistanleveys. Nämä arvot määritetään tavalla, joka varmistaa, että kiinnostava päätaajuus, 60 Hz, katkaistaan kokonaan ja vain muutamat ympäröivät taajuudet vaikuttavat hieman.

Kaistanleveys = Katkaisu2-Katkaisu1

Kaistanleveys = 37,699 Laatutekijä on määritettävä seuraavaksi. Laatutekijä määrittää, kuinka terävä lovi on ja kuinka kapea leikkaus alkaa. Tämä lasketaan käyttämällä kaistanleveyttä ja kiinnostavaa taajuutta. Q = taajuus/kaistanleveys

Q = 10

Tälle suodattimelle valitaan helposti saatavilla oleva kondensaattorin arvo. Kondensaattorin ei tarvitse olla suuri eikä se saa olla liian pieni.

C = 100 nF

Tässä aktiivisessa lovesuodattimessa käytetyn ensimmäisen vastuksen laskemiseen käytettiin seuraavaa suhdetta, joka sisälsi laatutekijän, kiinnostavan taajuuden ja valitun kondensaattorin.

R1 = 1/[2QC*taajuus]

R1 = 1326,29 ohmia

Tässä suodattimessa käytetty toinen vastus lasketaan seuraavan suhteen avulla.

R2 = 2Q/[taajuus*C]

R2 = 530516 ohmia

Tämän suodattimen lopullinen vastus lasketaan käyttämällä kahta edellistä vastusarvoa. Sen odotetaan olevan hyvin samanlainen kuin ensimmäinen laskettu vastus.

R3 = R1*R2/[R1+R2]

R3 = 1323 ohmia

Kun kaikki komponenttien arvot on laskettu käyttämällä edellä kuvattuja yhtälöitä, seuraava lovisuodatin tulee rakentaa suodattamaan tarkasti pois 60 Hz: n AC -kohina, joka häiritsee EKG -signaalia. OP/AMP: n virran tulee olla positiivinen ja negatiivinen 15 volttia alla olevan piirin mukaisesti. Ohituskondensaattorit on kytketty OP/AMP: n virtalähteistä niin, että virtalähteestä tuleva AC -signaali ohjataan maahan, jotta OP/AMP ei pääse paistumaan. on liitettävä siniaaltoon ja AC -pyyhkäisy on suoritettava välillä 40 Hz - 80 Hz, jotta 60 Hz: n signaalin suodatus näkyy.

Vaihe 4: Luo LabVIEW -ohjelma sykkeen laskemiseksi

LabVIEW on hyödyllinen työkalu instrumenttien käyttämiseen ja tietojen keräämiseen. EKG -tietojen keräämiseen käytetään DAQ -korttia, joka lukee tulojännitteet näytteenottotaajuudella 1 kHz. Nämä tulojännitteet lähetetään sitten kuvaajaan, jota käytetään EKG -tallennuksen näyttämiseen. Kerätyt tiedot kulkevat sitten maksimi -etsimen läpi, joka tuottaa suurimmat luetut arvot. Nämä arvot mahdollistavat huippukynnyksen laskemisen 98 prosentilla maksimituotannosta. Tämän jälkeen käytetään huippuilmaisinta määrittämään, milloin data on tätä kynnystä suurempi. Näitä tietoja ja huippujen välistä aikaa voidaan käyttää sykkeen määrittämiseen. Tämä yksinkertainen lasku määrittää tarkasti sykkeen DAQ -kortin lukemien syöttöjännitteiden perusteella.

Vaihe 5: Testaus

Piirien rakentamisen jälkeen olet valmis ottamaan ne käyttöön! Ensinnäkin jokainen vaihe on testattava AC -pyyhkäisyllä, jonka taajuudet ovat välillä 0,05 Hz - 200 Hz. Tulojännite saa olla enintään 15 mV huippusta huippuun, jotta OP/AMP -rajoitukset eivät häiritse signaalia. Liitä seuraavaksi kaikki piirit ja suorita täysi AC -pyyhkäisy uudelleen varmistaaksesi, että kaikki toimii oikein. Kun olet tyytyväinen koko piirisi ulostuloon, on aika kytkeä itsesi siihen. Aseta positiivinen elektrodi oikeaan ranteeseesi ja negatiivinen elektrodi vasempaan ranteeseesi. Aseta maadoituselektrodi nilkkaasi. Liitä koko piirin lähtö DAQ -korttiin ja suorita LabVIEW -ohjelma. EKG -signaalisi pitäisi nyt näkyä tietokoneen aaltomuotokaaviossa. Jos se ei ole tai vääristynyt, yritä pudottaa piirin vahvistus noin 10: een muuttamalla vahvistusvastusta vastaavasti. Tämän pitäisi mahdollistaa signaalin lukeminen LabVIEW -ohjelman avulla.