Лесно автоматизирано ЕКГ (1 усилвател, 2 филтъра): 7 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:51

Електрокардиограма (ЕКГ) измерва и показва електрическата активност на сърцето с помощта на различни електроди, поставени върху кожата. ЕКГ може да бъде създадена с помощта на инструментален усилвател, филтър с прорези и нискочестотен филтър. И накрая, филтрираният и усилен сигнал може да бъде визуализиран с помощта на софтуера LabView. LabView също използва входящата честота на сигнала, за да изчисли сърдечния ритъм на човека. Изграденият инструментален усилвател успя да вземе малкия сигнал на тялото и да го усили до 1 V, така че да може да се гледа на компютъра с помощта на LabView. Филтрите с прорези и нискочестотни честоти успяха да намалят шума от 60 Hz от захранванията и смущаващи сигнали над 350 Hz. Сърдечният ритъм в покой беше измерен на 75 удара в минута и 137 удара в минута след пет минути интензивно упражнение. Изграденият ЕКГ е в състояние да измерва сърдечните удари при реалистични стойности и да визуализира различните компоненти на типична форма на ЕКГ вълна. В бъдеще тази ЕКГ би могла да бъде подобрена чрез промяна на пасивните стойности във филтъра с прорези, за да се намали повече шум около 60 Hz.

Стъпка 1: Създайте инструментален усилвател

Ще ви трябва: LTSpice (или друг софтуер за визуализация на верига)

Инструменталният усилвател е създаден, за да увеличи размера на сигнала, така че да бъде видим и да позволи анализ на формата на вълната.

Чрез използване на R1 = 3.3k ома, R2 = 33k ома, R3 = 1k ома, R4 = 48 ома се постига усилване от X. Печалба = -R4/R3 (1+R2/R1) = -47k/1k (1- (33k/3.3k)) = -1008

Тъй като в крайния операционен усилвател сигналът отива в инвертиращия щифт, усилването е 1008. Този дизайн е създаден в LTSpice, след което е симулиран с променлив ток от 1 до 1 kHz със 100 точки на десетилетие за вход на синусоида с амплитуда на променлив ток 1 V.

Проверихме дали нашата печалба е подобна на планираната печалба. От графиката открихме Gain = 10^(60/20) = 1000, което е достатъчно близо до планираната печалба от 1008.

Стъпка 2: Създайте Notch Filter

Ще ви трябва: LTSpice (или друг софтуер за визуализация на верига)

Филтърът с прорез е специфичен тип нискочестотен филтър, последван от високочестотен филтър за елиминиране на определена честота. Филтър с прорез се използва за елиминиране на шума, генериран от всички електронни устройства, който присъства на 60Hz.

Изчислени бяха пасивните стойности: C =.1 uF (избрана стойност) 2C =.2 uF (използван.22 uF кондензатор)

Ще се използва AQ коефициент 8: R1 = 1/(2*Q*2*pi*f*C) = 1/(2*8*2*3,14159*60*.1E-6) = 1,66 kOhm (1,8 kOhm беше използван) R2 = 2Q/(2*pi*f*C) = (2*8)/(60 Hz*2*3.14159*.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm беше използвано) Разделяне на напрежение: Rf = R1 * R2 / (R1 + R2) = 1,8 kOhm * 423 kOhm / (1,8 kOhm + 423 kOhm) = 1,79 kOhm (използван е 1,8 kOhm)

Този дизайн на филтъра има печалба от 1, което означава, че няма усилващи свойства.

Включването на пасивните стойности и симулирането на LTSpice с AC Sweep и входен сигнал от 0.1 V синусоидална вълна с AC честота 1 kHz води до прикачения график на боде.

При честота около 60 Hz, сигналът достига най -ниското си напрежение. Филтърът успешно премахва шума от 60 Hz до незабележимо напрежение от 0,01 V и осигурява усилване 1, тъй като входното напрежение е 0,1 V.

Стъпка 3: Създайте нискочестотен филтър

Ще ви трябва: LTSpice (или друг софтуер за визуализация на верига)

Създаден е нискочестотен филтър за премахване на сигналите над прага на интерес, който би съдържал ЕКГ сигнала. Прагът на интерес е между 0 - 350Hz.

Стойността на кондензатора е избрана да бъде.1 uF. Необходимото съпротивление се изчислява за висока гранична честота от 335 Hz: C = 0,1 uF R = 1/(2pi*0,1*(10^-6)*335 Hz) = 4,75 kOhm (използвано е 4,7 kOhm)

Включването на пасивните стойности и симулирането на LTSpice с AC Sweep и входен сигнал от 0.1 V синусоидална вълна с AC честота 1 kHz води до прикрепения график на боде.

Стъпка 4: Създайте верига на макета

Ще ви трябват: резистори с различни стойности, кондензатори с различни стойности, операционни усилватели UA 471, джъмперни кабели, макет, свързващи кабели, захранване или 9 V батерия

Сега, когато сте симулирали вашата схема, е време да я изградите върху макет. Ако нямате изброените точни стойности, използвайте това, което имате или комбинирайте резистори и кондензатори, за да направите необходимите стойности. Не забравяйте да захранвате дъската си за хляб с помощта на 9 -волтова батерия или DC захранване. Всеки операционен усилвател се нуждае от положителен и отрицателен източник на напрежение.

Стъпка 5: Настройка на LabView среда

Ще ви трябва: софтуер LabView, компютър

За да се автоматизира показването на формата на вълната и изчисляването на сърдечната честота, беше използван LabView. LabView е програма, използвана за визуализиране и анализ на данни. Изходът на ЕКГ веригата е вход за LabView. Данните се въвеждат, начертават и анализират въз основа на блок -диаграмата, проектирана по -долу.

Първо, DAQ Assistant приема аналоговия сигнал от веригата. Инструкциите за вземане на проби са настроени тук. Скоростта на вземане на проби е 1k проби в секунда, а интервалът е 3k ms, следователно интервалът от време, наблюдаван във графиката на вълната, е 3 секунди. Графиката на вълновата форма получава данни от DAQ Assistant, след което ги нанася в прозореца на предния панел. Долната част на блоковата диаграма обхваща изчислението на сърдечната честота. Първо се измерват максимумът и минимумът на вълната. След това тези амплитудни измервания се използват, за да се определи дали има пикове, които са дефинирани като 95% от максималната амплитуда, и ако е така, моментната точка се записва. След като пиковете бъдат открити, амплитудата и времевата точка се съхраняват в масиви. След това броят на пиковете/ секунди се преобразува в минути и се показва на предния панел. Предният панел показва формата на вълната и ударите в минута.

Веригата е свързана към LabVIEW чрез ADC на National Instruments, както е показано на фигурата по -горе. Функционалният генератор генерира симулиран ЕКГ сигнал, който беше въведен в ADC, който прехвърли данните към LabView за графики и анализ. Освен това, след като BPM се изчисли в LabVIEW, цифровият индикатор беше използван за отпечатване на тази стойност на предния панел на приложението по протежение на графиката на формата на вълната, както се вижда на фигура 2.

Стъпка 6: Тестова верига с помощта на генератор на функции

Ще ви трябват: схема на макет, свързващи кабели, захранване или 9 V батерия, ADC на National Instruments, софтуер LabView, компютър

За да се тества инструментариумът LabView, във веригата беше въведен симулиран ЕКГ, а изходът на веригата беше свързан към LabView чрез ADC на National Instruments. Първо в схемата беше въведен сигнал от 20mVpp при 1Hz за симулиране на сърдечния ритъм в покой. Предният панел на LabView е показан на изображението по -долу. Комплексът P, T, U вълна и QRS са видими. BMP е правилно изчислен и показан в числовия индикатор. Има усилване от около 8 V/0.02 V = 400 през веригата, което е подобно на това, което видяхме, когато веригата беше прикрепена към осцилоскопа. Приложена е снимка на резултата в LabView. След това, за да се симулира повишен сърдечен ритъм например по време на тренировка, във веригата се въвежда сигнал от 20mVpp при 2Hz. Имаше сравнима печалба с теста при сърдечен ритъм в покой. Под формата на вълната се вижда, че има същите части като преди, само с по -бързи темпове. Сърдечната честота се изчислява и показва в числовия индикатор и виждаме очакваните 120 BPM.

Стъпка 7: Тестова верига, използваща човешки субект

Ще ви трябват: схема на макетна платка, свързващи кабели, захранване или 9 V батерия, ADC на National Instruments, софтуер LabView, компютър, електроди (поне три), човек

И накрая, веригата беше тествана с въвеждане на ЕКГ проводници от човешки субект във веригата и изход на веригата, влизаща в LabView. Три електрода бяха поставени върху обект, за да получат реален сигнал. Електроди бяха поставени както на китките, така и на десния глезен. Дясната китка е положителният вход, лявата китка е отрицателна и глезенът е смлян. Отново данните бяха въведени в LabView за обработка. Конфигурацията на електрода е прикрепена като картина.

Първо, ЕКГ сигналът на субекта е показан и анализиран. В покой субектът има сърдечен ритъм от около 75 удара в минута. След това субектът участва в интензивна физическа активност в продължение на 5 минути. Обектът е свързан отново и повишеният сигнал е записан. Сърдечната честота беше приблизително 137 удара в минута след активност. Този сигнал беше по -малък и имаше повече шум. Електроди бяха поставени както на китките, така и на десния глезен. Дясната китка е положителният вход, лявата китка е отрицателна и глезенът е смлян. Отново данните бяха въведени в LabView за обработка.

Средностатистическият човек има ЕКГ сигнал от около 1 mV. Нашата очаквана печалба беше около 1000, следователно бихме очаквали изходно напрежение от 1V. От записа в покой, показан на изображение XX, амплитудата на QRS комплекса е приблизително (-0,7)-(-1,6) = 0,9 V. Това води до 10% грешка. (1-0,9)/1*100 = 10% Пулсът в покой при стандартен човек е 60, измереният е около 75, това води до | 60-75 |*100/60 = 25% грешка. Повишеният сърдечен ритъм при стандартен човек е 120, измереният е около 137, това води до | 120-137 |*100/120 = 15% грешка.

Поздравления! Вече сте изградили свой собствен автоматизиран ЕКГ.