Верига за събиране на ЕКГ: 5 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:54

ЗАБЕЛЕЖКА: Това не е медицинско изделие. Това е само за образователни цели, като се използват симулирани сигнали. Ако използвате тази схема за реални измервания на ЕКГ, моля, уверете се, че веригата и връзките верига към инструмент използват подходящи техники за изолация

Може би най -разпространеното физиологично измерване в днешната здравна индустрия е електрокардиограмата (ЕКГ/ЕКГ). Трудно е да преминете през болница или спешно отделение, без да чуете традиционния „звуков сигнал“на пулсомера или да видите как ЕКГ вълната се търкаля по екрана в стаята на пациента. Но какво е това измерване, станало толкова свързано със съвременното здравеопазване?

Електрокардиограмата често се бърка с запис на физическата активност на сърцето, но както подсказва името, това всъщност е запис на електрическата активност, деполяризацията и реполяризацията на мускулите на сърцето. Анализирайки записаната форма на вълната, лекарите могат да получат представа за поведението на електрическата система на сърцето. Някои често срещани диагнози, направени въз основа на ЕКГ данни, включват: миокарден инфаркт, белодробна емболия, аритмии и AV блокове.

Следващата инструкция ще очертае процеса и принципите, използвани за изграждането на основна електрическа верига, която може да събира ЕКГ с помощта на прости повърхностни електроди, както се прави в болниците.

Стъпка 1: Проектирайте инструментален усилвател

Първият елемент на веригата, необходим за запис на ЕКГ сигнала, е инструментален усилвател. Този усилвател има два ефекта.

1. Той създава електронен буфер между записващите електроди и останалата част от веригата. Това намалява необходимото изтегляне на ток от електродите до практически нула. Позволява събиране на сигнал с много малко изкривяване, причинено от входния импеданс.

2. Различно усилва записания сигнал. Това означава, че всеки общ сигнал в двата записани електрода няма да бъде усилен, докато разликите (важните части) ще бъдат.

Обикновено записите на повърхностни електроди за ЕКГ ще бъдат в обхвата на миливолта. Следователно, за да вкараме този сигнал в диапазон, можем да работим с усилване (K) от 1000 V/V ще бъде подходящо.

Управляващите уравнения за усилвателя, илюстрирани по -горе, са:

K1 = 1 + 2*R2 / R1, това е печалба от етап 1

K2 = - R4/R3, това е печалба от етап 2

Обърнете внимание, че в идеалния случай K1 и K2 трябва да са приблизително равни и за да се постигне желаното усилване K1 * K2 = 1000

Крайните стойности, използвани в нашата верига, бяха….

R1 = 6,5 kOhm

R2 = 100 kOhm

R3 = 3,17 kOhm

R4 = 100 kOhm

Стъпка 2: Проектиране на Notch Filter

В съвременния свят е вероятно събирането на ЕКГ да се извършва в близост до някои други електронни устройства или дори само в сграда, която се захранва с електричество от местни електропроводи. За съжаление, високото напрежение и осцилиращият характер на предоставената мощност означава, че тя ще произвежда голямо количество електрически „шум“в практически всеки проводящ материал, който е близо до нея; това включва проводниците и елементите на веригата, използвани за изграждането на нашата схема за събиране на ЕКГ.

За да се противодейства на това, всеки сигнал с честота, равна на тази на шума, генериран от локалното захранване (наречен шум в мрежата), може просто да се филтрира и по същество да се премахне. В Съединените щати електрическата мрежа захранва 110-120V с честота 60 Hz. Следователно, трябва да филтрираме всеки компонент на сигнала с честота 60 Hz. За щастие, това е правено много пъти преди и просто изисква проектирането на филтър с прорез (на снимката по -горе).

Уравненията, управляващи този филтър, са….

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

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

Q = w / B

където wc2 е високата честота на прекъсване, w2 ниската честота на прекъсване, w граничната честота в rad/sec и Q е качествен фактор

Обърнете внимание, че C е стойност, която може да бъде свободно избрана. Следните стойности, използвани в нашата верига, бяха:

R1 = 1,65 kOhm

R2 = 424,5 kOhm

Q = 8

w = 120 * пи рад/сек

Стъпка 3: Нискочестотен филтър

ЕКГ сигналите имат честота около 0 - 150Hz. За да се предотврати свързването на повече шум към сигнала от неща с по -висока честота от този диапазон, бе реализиран нискочестотен филтър ButterWorth от втори ред с прекъсване от 150Hz, за да се позволи само на ЕКГ сигнала да премине през веригата. Вместо веднага да се избере лесно достъпна стойност на кондензатора, подобно на предишните компоненти, първата стойност на кондензатора, C2, беше избрана въз основа на формулата, намерена по -долу. От тази стойност всички други стойности на компонентите могат да бъдат изчислени и след това добавени към веригата, като същевременно запазва усилването отново до 1V/V.

C2 ≈ 10/fc uf, където fc е граничната честота (150 Hz за този случай).

След това останалите стойности могат да бъдат изчислени, както е показано в таблицата, включена като второ изображение в тази стъпка.

Крайните стойности, използвани за поставяне в горната схема, са:

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22,47 kOhm

R2 = 22,56 kOhm

Стъпка 4: Подготовка за LabVIEW

Единствените материали, необходими за този раздел от колекцията на ЕКГ, е компютър с Windows, оборудван с 64-битово копие на LabVIEW и Национална табла за кондициониране на сигнали на инструменти () с един входен модул. След това функционалната блокова диаграма в LabVIEW трябва да бъде конструирана по следния начин. Започнете, като отворите празна функционална блокова диаграма.

Поставете блок DAQ Assistant и коригирайте настройките до следното:

Измерване: Аналогов → Напрежение

Режим: RSE

Вземане на проби: Непрекъснато вземане на проби

Събрани проби: 2500

Честота на дискретизация: 1000 / сек

Изведете събраната форма на вълната в графика на формата на вълната. Освен това изчислете максималната стойност на текущите данни за формата на вълната. Умножете максималната стойност на вълната със стойност като.8, за да създадете праг за откриване на пикове, тази стойност може да се регулира въз основа на нивото на шума в сигнала. Въведете продукта от предходната стъпка като праг и необработения масив от напрежение като данни за функцията „Откриване на пик“. След това вземете изхода „Местоположение“на масива за откриване на пикове и извадете първата и втората стойности. Това представлява разликата в стойностите на индекса на двата пика в първоначалния масив. След това това може да се преобразува във времева разлика чрез разделяне на стойността на честотата на дискретизация, за примерния случай това е 1000 /сек. И накрая, вземете обратната стойност на тази стойност (давайки Hz) и умножете по 60, за да получите сърдечната честота в удари в минута BPM. Крайната блокова диаграма за това трябва да прилича на заглавната картина за тази стъпка.

Стъпка 5: Пълна системна интеграция

Сега, когато всички компоненти са конструирани поотделно, е време да сглобим търговския център. Това може да стане чрез просто свързване на изхода на една секция към входа на следващия сегмент. Етапите трябва да бъдат свързани в същия ред, в който се появяват в тази инструкция. За последния етап, филтърът ButterWorth, неговият вход трябва да бъде прикрепен към един от двата извода на входния модул на платката за кондициониране на сигнала. Другият проводник от този модул трябва да бъде прикрепен към общото заземяване на веригите.

За инструменталния усилвател, двата му проводника трябва да бъдат прикрепени към ЕКГ/ЕКГ електрод. Това става лесно с помощта на две алигаторни щипки. След това поставете по един електрод върху всяка китка. Уверете се, че всички сегменти на веригата са свързани и че LabVIEW VI работи и системата трябва да извежда графика на формата на вълната в прозореца LabVIEW.

Изходът трябва да изглежда подобно на второто изображение, предоставено в тази стъпка. Ако не е подобно, може да се наложи да се коригират стойностите на вашата верига. Един често срещан проблем е, че филтърът с прорези няма да бъде центриран директно при 60 Hz и може да бъде леко до висок/нисък. Това може да бъде тествано чрез създаване на график на bode за филтъра. В идеалния случай, режещият филтър ще има поне 20 dB затихване при 60 Hz. Също така може да бъде полезно да проверите дали вашето местно захранване се захранва при 60 Hz. Не е необичайно някои области да имат 50 Hz захранващи устройства за променлив ток, това би наложило центриране на филтъра с прорези около тази стойност.