Yksinkertainen EKG -tallennuspiiri ja LabVIEW -sykemittari: 5 vaihetta

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

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

Yksi nykyaikaisen terveydenhuollon keskeisimmistä näkökohdista on kyky kaapata sydämen aalto EKG: llä tai elektrokardiogrammilla. Tämä tekniikka käyttää pintaelektrodeja sydämen lähettämien erilaisten sähköisten kuvioiden mittaamiseen, jotta ulostuloa voidaan käyttää diagnostiikkatyökaluna sydän- ja keuhkosairauksien, kuten takykardian, haaralohkon ja hypertrofian, erilaisten muotojen diagnosointiin. Näiden tilojen diagnosoimiseksi lähtöaaltomuotoa verrataan normaaliin EKG -signaaliin.

Jotta voidaan luoda järjestelmä, joka voi saada EKG -aaltomuodon, signaali on ensin vahvistettava ja sitten suodatettava asianmukaisesti melun poistamiseksi. Tätä varten voidaan rakentaa kolmivaiheinen piiri käyttämällä OP -vahvistimia.

Tämä opas antaa tarvittavat tiedot yksinkertaisen piirin suunnitteluun ja rakentamiseen, joka pystyy tallentamaan EKG -signaalin pintaelektrodeilla ja suodattamaan sitten signaalin jatkokäsittelyä ja analysointia varten. Lisäksi tässä ohjeessa hahmotellaan yksi tekniikka, jota käytetään signaalin analysointiin graafisen esityksen luomiseksi piirilähdöstä, sekä menetelmä sydämen sykkeen laskemiseksi EKG -aaltomuodon piirilähdöstä.

Huomaa: kun suunnittelet jokaista vaihetta, muista suorittaa AC -pyyhkäisy sekä kokeellisesti että simulaatioiden avulla halutun piirin käyttäytymisen varmistamiseksi.

Vaihe 1: Suunnittele ja rakenna instrumentointivahvistin

Tämän EKG -piirin ensimmäinen vaihe on instrumentointivahvistin, joka koostuu kolmesta OP -vahvistimesta. Kaksi ensimmäistä OP -vahvistinta ovat puskuroituja tuloja, jotka syötetään sitten kolmanteen OP -vahvistimeen, joka toimii differentiaalivahvistimena. Rungon signaalit on puskuroitava, tai muuten lähtö pienenee, koska runko ei pysty tuottamaan paljon virtaa. Differentiaalivahvistin ottaa kahden tulolähteen välisen eron mitattavan potentiaalieroksen aikaansaamiseksi ja samalla poistaa yhteisen kohinan. Tässä vaiheessa on myös vahvistus 1000, joka vahvistaa tyypillisen mV: n luettavampaan jännitteeseen.

Instrumenttivahvistimen piirivahvistus 1000 lasketaan esitetyillä yhtälöillä. Instrumenttivahvistimen vaiheen 1 vahvistus lasketaan (2) ja instrumentointivahvistimen vaiheen 2 vahvistus lasketaan (3). K1 ja K2 laskettiin siten, että ne eivät eronneet toisistaan enempää kuin 15.

Voiton ollessa 1000 K1 voidaan asettaa arvoon 40 ja K2 arvoon 25. Vastuksen arvot voidaan kaikki laskea, mutta tämä instrumenttivahvistin käytti alla olevia vastusarvoja:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

Vaihe 2: Suunnittele ja rakenna lovisuodatin

Seuraava vaihe on lovisuodatin, joka poistaa pistorasiasta tulevan 60 Hz: n signaalin.

Lovisuodattimessa R1: n vastuksen arvo lasketaan (4): llä, R2: n arvo (5): llä ja R3: n arvo (6): lla. Piirin laatukerroin Q on asetettu arvoon 8, koska se antaa kohtuullisen virhemarginaalin ja on samalla realistisesti tarkka. Q -arvo voidaan laskea (7): llä. Lovisuodattimen viimeistä hallitsevaa yhtälöä käytetään kaistanleveyden laskemiseen, ja sen kuvaa (8). Laatukertoimen 8 lisäksi lovisuodattimessa oli muita suunnittelutietoja. Tämän suodattimen vahvistus on 1, jotta se ei muuttaisi signaalia, kun se poistaa 60 Hz: n signaalin.

Näiden yhtälöiden mukaan R1 = 11,0524 kΩ, R2 = 2,829 MΩ, R3 = 11,009 kΩ ja C1 = 15 nF

Vaihe 3: Suunnittele ja rakenna toisen asteen Butterworthin alipäästösuodatin

Viimeinen vaihe on alipäästösuodatin, joka poistaa kaikki signaalit, joita voi esiintyä EKG-aallon korkeimman taajuuskomponentin yläpuolella, kuten WiFi-kohina ja muut ympäristösignaalit, jotka saattavat häiritä kiinnostavaa signaalia. Tämän vaiheen -3dB -pisteen tulisi olla noin 150 Hz tai lähellä sitä, koska EKG -aaltoalueella olevien signaalien vakioalue 0,05 Hz -150 Hz.

Suunniteltaessa alipäästösekvenssin Butterworth-suodatinta, piirille asetetaan jälleen vahvistus 1, mikä mahdollisti yksinkertaisemman piirisuunnittelun. Ennen kuin teet lisälaskelmia, on tärkeää huomata, että alipäästösuodattimen haluttu rajataajuus on asetettu 150 Hz: iin. Helpoin aloittaa laskemalla kondensaattorin 2, C2 arvo, koska muut yhtälöt riippuvat tästä arvosta. C2 voidaan laskea (9): llä. C2: n laskemisen perusteella C1 voidaan laskea (10): llä. Tämän alipäästösuodattimen tapauksessa kertoimet a ja b määritellään missä a = 1,414214 ja b = 1. R1: n vastusarvo lasketaan (11) ja R2: n vastusarvo lasketaan (12).

Käytettiin seuraavia arvoja:

R1 = 13,842 kΩ

R2 = 54,36 kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

Vaihe 4: Määritä tiedonhankintaan ja analyysiin käytettävä LabVIEW -ohjelma

Seuraavaksi LabView -tietokoneohjelmaa voidaan käyttää tehtävän luomiseen, joka luo EKG -signaalista graafisen esityksen sydämenlyönnistä ja laskee sykkeen samasta signaalista. LabView -ohjelma saavuttaa tämän hyväksymällä ensin analogiatulon DAQ -kortilta, joka toimii myös analogia -digitaalimuuntimena. Tämä digitaalinen signaali analysoidaan ja piirretään edelleen, jossa kuvaaja näyttää DAQ -kortille syötettävän signaalin graafisen esityksen. Signaalin aaltomuoto analysoidaan ottamalla 80% hyväksyttävän digitaalisen signaalin enimmäisarvoista, ja käyttää sitten huippuilmaisintoimintoa näiden signaalin huippujen havaitsemiseen. Samanaikaisesti ohjelma ottaa aaltomuodon ja laskee aaltomuodon huippujen välisen aikaeron. Huipputunnistus on yhdistetty arvoihin joko 1 tai 0, jossa 1 edustaa huippua huippujen sijainnin indeksin luomiseksi, ja tätä indeksiä käytetään sitten huippujen välisen aikaeron yhteydessä sykkeen matemaattiseen laskemiseen lyöntiä minuutissa (BPM). Lohkokaavio, jota käytettiin LabView -ohjelmassa, näytetään.

Vaihe 5: Täysi kokoonpano

Kun olet rakentanut kaikki piirisi ja LabVIEW -ohjelmasi ja varmistanut, että kaikki toimii oikein, olet valmis tallentamaan EKG -signaalin. Kuvassa on mahdollinen kaavio koko piirijärjestelmän kokoonpanosta.

Liitä positiivinen elektrodi oikeaan ranteeseesi ja yksi ympyröidyistä instrumentointivahvistimen tuloista ja negatiivinen elektrodi vasempaan ranteeseesi ja toinen instrumentointivahvistimen tulo kuvassa. Elektrodien tulojärjestyksellä ei ole väliä. Aseta lopuksi maadoituselektrodi nilkkaasi ja liitä se piirin maahan. Onnittelut, olet suorittanut kaikki tarvittavat vaiheet EKG -signaalin tallentamiseen ja tallentamiseen.