EKG -digitaalimonitorin ja -piirin suunnittelu: 5 vaihetta

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

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

Tämän projektin tavoitteena on rakentaa piiri, joka voi vahvistaa ja suodattaa EKG -signaalin, joka tunnetaan myös nimellä elektrokardiogrammi. EKG: tä voidaan käyttää sykkeen ja sydämen rytmin määrittämiseen, koska se pystyy havaitsemaan sähköiset signaalit, jotka kulkevat sydämen eri osien läpi syklisyklin eri vaiheissa. Tässä käytämme instrumentointivahvistinta, lovisuodatinta ja alipäästösuodatinta EKG: n vahvistamiseen ja suodattamiseen. Sitten LabView -ohjelmalla lasketaan lyöntejä minuutissa ja EKG: n graafinen esitys näytetään. Valmis tuote näkyy yllä.

Vaihe 1: Instrumentation Amplifier

Instrumenttivahvistimen tarvittava vahvistus on 1000 V/V. Tämä mahdollistaisi tulevan signaalin riittävän vahvistuksen, joka on paljon pienempi. Instrumenttivahvistin on jaettu kahteen osaan, vaihe 1 ja vaihe 2. Kunkin vaiheen (K) vahvistuksen tulee olla samanlainen, joten kerrottuna yhdessä vahvistus on noin 1000. Alla olevia yhtälöitä käytetään vahvistuksen laskemiseen.

K1 = 1 + ((2*R2)/R1)

K2 = -R4/R3

Näistä yhtälöistä löydettiin arvot R1, R2, R3 ja R4. Kuvissa näkyvän piirin rakentamiseksi käytettiin kolmea uA741 -operaatiovahvistinta ja vastusta. Tehovahvistimet saavat 15 V: n virran tasavirtalähteestä. Instrumentointivahvistimen tulo liitettiin toimintogeneraattoriin ja ulostulo oskilloskoopiin. Sitten tehtiin AC -pyyhkäisy ja instrumenttivahvistimen vahvistus havaittiin, kuten voidaan nähdä yllä olevasta "Instrumentation Amplifier Gain" -kaaviosta. Lopuksi piiri luotiin uudelleen LabView'ssa, jossa tehtiin simulaatio vahvistuksesta, kuten yllä olevasta mustasta juonesta näkyy. Tulokset vahvistivat, että piiri toimi oikein.

Vaihe 2: Lovisuodatin

Lovisuodatinta käytetään poistamaan kohinaa, joka esiintyy taajuudella 60 Hz. Komponenttien arvot voidaan laskea alla olevien yhtälöiden avulla. Käytettiin laatukerrointa (Q) 8. C valittiin käytettävissä olevien kondensaattoreiden perusteella.

R1 = 1/(2*Q*ω*C)

R2 = 2*Q/(ω*C)

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

Vastuksen ja kondensaattorin arvot löydettiin ja yllä oleva piiri rakennettiin, lasketut arvot näkyvät siellä. Operaatiovahvistimen virtalähteenä oli tasavirtalähde, tulo kytketty toimintogeneraattoriin ja ulostulo oskilloskooppiin. AC -lakaisun suorittaminen johti yllä olevaan "Notch Filter AC Sweep" -kaavioon, joka osoittaa, että 60 Hz: n taajuus oli poistettu. Tämän vahvistamiseksi suoritettiin LabView -simulaatio, joka vahvisti tulokset.

Vaihe 3: Alipäästösuodatin

Käytetään toisen asteen Butterworthin alipäästösuodatinta, jonka rajataajuus on 250 Hz. Vastuksen ja kondensaattorin arvojen ratkaisemiseksi käytettiin alla olevia yhtälöitä. Näille yhtälöille rajataajuus Hz: nä muutettiin arvoksi rad/s, jonka todettiin olevan 1570,8. Käytettiin vahvistusta K = 1. Arvot a ja b toimitettiin 1,414214 ja 1.

R1 = 2 / (wc (a C2 + sqrt (a^2 + 4 b (K - 1)) C2^2-4 b C1 C2))

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

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

R4 = K (R1 + R2)

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

C2 = (10 / fc)

Kun arvot oli laskettu, piiri rakennettiin arvoilla, jotka näkyvät yhdessä yllä olevista kuvista. On huomattava, että koska vahvistusta 1 käytettiin, R3 korvattiin avoimella piirillä ja R4 korvattiin oikosululla. Kun piiri oli koottu, op -vahvistimeen syötettiin virtaa 15 voltilla tasavirtalähteestä. Muiden komponenttien tapaan tulo ja lähtö liitettiin toimintogeneraattoriin ja oskilloskooppiin. AC -pyyhkäisykaavio luotiin, joka näkyy yllä olevasta "Alipäästösuodattimen AC -pyyhkäisystä". Piirros mustalla piirin LabView -simulaatiossa, mikä vahvistaa tuloksemme.

Vaihe 4: LabVIEW

Kuvassa näkyvää LabVIEW -ohjelmaa käytetään laskemaan lyöntejä minuutissa ja näyttämään tulo -EKG: n visuaalinen esitys. DAQ Assistant hakee tulosignaalin ja asettaa näytteenottoparametrit. Aaltomuodon kuvaaja piirtää sitten DAQ: n vastaanottaman tulon käyttöliittymässä näytettäväksi käyttäjälle. Tulotiedoille tehdään useita analyysejä. Syötetyn datan enimmäisarvot löytyvät Max/Min Identifier -toiminnolla ja piikkien havaitsemiseen käytettävät parametrit asetetaan Peak Detection -toiminnolla. BPM lasketaan ja näytetään numeerisena ulostulona käyttämällä piikkien sijaintien indeksitaulukkoa, Time Change -komponentin antamien maksimiarvojen välistä aikaa ja erilaisia aritmeettisia toimintoja.

Vaihe 5: Piiri valmis

Kun kaikki komponentit oli kytketty, koko järjestelmä testattiin simuloidulla EKG -signaalilla. Sitten piiriä käytettiin ihmisen EKG: n suodattamiseen ja vahvistamiseen edellä mainitun LabView -ohjelman kautta näytetyillä tuloksilla. Elektrodit kiinnitettiin oikeaan ranteeseen, vasempaan ranteeseen ja vasempaan nilkaan. Vasen ranne ja oikea ranne oli kytketty instrumenttivahvistimen tuloihin, kun taas vasen nilkka oli kytketty maahan. Alipäästösuodattimen lähtö liitettiin sitten DAQ-avustajaan. Ohjelma ajettiin käyttämällä samaa LabView -lohkokaaviota kuin aikaisemmin. Ihmisen EKG: n kulkiessa koko järjestelmän lähdöstä nähtiin selkeä ja vakaa signaali, joka näkyy yllä olevassa kuvassa.