Проста ЕКГ верига и LabVIEW програма за сърдечен ритъм: 6 стъпки

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

Електрокардиограма, наричана по -нататък ЕКГ, е изключително мощна диагностична и мониторингова система, използвана във всички медицински практики. ЕКГ се използват за графично наблюдение на електрическата активност на сърцето, за да се провери за аномалии в сърдечната честота или електрическата сигнализация.

От показания на ЕКГ сърдечната честота на пациентите може да се определи по времевия интервал между QRS комплексите. Освен това могат да бъдат открити и други медицински състояния, като предстоящ инфаркт от издигане на ST сегмент. Подобни показания могат да бъдат от решаващо значение за правилното диагностициране и лечение на пациента. Р вълната показва свиването на атриума на сърцето, QRS кривата е вентрикуларната контракция, а Т вълната е реполяризацията на сърцето. Познаването дори на проста информация като тази може бързо да диагностицира пациентите за анормална сърдечна функция.

Стандартен ЕКГ, използван в медицинската практика, има седем електрода, които са поставени в лек полукръгъл модел около долната част на сърцето. Това разположение на електродите позволява минимален шум при запис и също така позволява по -последователни измервания. За целта на създадената ЕКГ верига ще използваме само три електрода. Положителният входен електрод ще бъде поставен на дясната вътрешна китка, отрицателният входен електрод ще бъде поставен на лявата вътрешна китка, а заземителният електрод ще бъде свързан с глезена. Това ще позволи да се отчитат показанията на сърцето с относителна точност. С това разположение на електроди, свързани към инструментален усилвател, нискочестотен филтър и филтър с прорези, ЕКГ вълновите форми трябва лесно да се различават като изходен сигнал от създадената верига.

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

Стъпка 1: Изградете инструментален усилвател

За да се изгради многостепенна апаратура с усилване от 1000 или 60 dB, следва да се приложи следното уравнение.

Печалба = (1+2*R1/Rgain)

R1 е равен на всички резистори, използвани в измервателния усилвател, освен резистора на усилването, което в известен смисъл ще доведе до включване на цялата печалба в първия етап на усилвателя. Това беше избрано да бъде 50,3 kΩ. За да се изчисли усилвателният резистор, тази стойност се включва в горното уравнение.

1000 = (1+2*50300/Възстановяване)

Възвръщаемост = 100,7

След като тази стойност бъде изчислена, инструменталният усилвател може да бъде конструиран като следната схема, показана в тази стъпка. OP/AMP трябва да се захранват с положителни и отрицателни 15 волта, както е показано на електрическата схема. Байпасните кондензатори за всеки OP/AMP трябва да бъдат поставени близо до OP/AMP последователно със захранването, за да се намали всеки AC сигнал, идващ от източника на захранване към земята, за да се предотврати пърженето на OP/AMP и всеки допълнителен шум, който може да допринесе към сигнала. Също така, за да се тества действителното усилване на веригите, възелът на положителния електрод трябва да получи входна синусова вълна, а възелът на отрицателния електрод трябва да бъде свързан към земята. Това ще позволи точно да се види усилването на веригата с входен сигнал по -малък от 15 mV пик до пик.

Стъпка 2: Конструирайте нискочестотен филтър от 2 -ри ред

Нискочестотен филтър от 2 -ри ред беше използван за отстраняване на шума над честотата на интерес за ЕКГ сигнала, който беше 150 Hz.

Стойността K, използвана при изчисленията за нискочестотен филтър от втори ред, е печалбата. Тъй като не искаме никаква печалба в нашия филтър, ние избрахме стойност на усилване 1, което означава, че входното напрежение ще бъде равно на изходното напрежение.

K = 1

За филтър от втори ред Butterworth, който ще се използва за тази схема, коефициентите a и b са дефинирани по-долу. a = 1,414214 b = 1

Първо, втората стойност на кондензатора е избрана да бъде относително голям кондензатор, който е лесно достъпен в лабораторията и в реалния свят.

C2 = 0,1 F.

За изчисляване на първия кондензатор се използват следните връзки между него и втория кондензатор. Коефициентите K, a и b бяха включени в уравнението, за да се изчисли каква трябва да бъде тази стойност.

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

Тъй като първият кондензатор се изчислява на по -малко или равно на 50 nF, беше избрана следната стойност на кондензатора.

C1 = 33 nF

За да се изчисли първият резистор, необходим за този нискочестотен филтър от втори ред с честота на прекъсване 150 Hz, следното уравнение беше решено, като се използват както изчислените стойности на кондензатора, така и коефициентите K, a и b. R1 = 2/[(гранична честота)*[aC2*sqrt ([(a^2+4b (K-1)) C2^2-4bC1C2])]

R1 = 9478 ома

За изчисляване на втория резистор беше използвано следното уравнение. Честотата на прекъсване отново е 150 Hz, а b коефициентът е 1.

R2 = 1/[bC1C2R1 (гранична честота)^2]

R2 = 35,99 kOhm След изчисляване на горните стойности за резисторите и кондензаторите, необходими за филтър от втори ред, е създадена следната схема, която показва активния нискочестотен филтър, който ще се използва. OP/AMP се захранва с положителни и отрицателни 15 волта, както е показано на диаграмата. Байпасните кондензатори са свързани към източниците на захранване, така че всеки променлив сигнал, който излиза от източника, се пренасочва към земята, за да се гарантира, че OP/AMP няма да се запържи от този сигнал. За да се тества този етап от ЕКГ веригата, възелът на входния сигнал трябва да бъде свързан към синусоидална вълна и трябва да се извърши AC сканиране от 1 Hz до 200 Hz, за да се види как работи филтърът.

Стъпка 3: Конструирайте Notch Filter

Филтърът с прорези е изключително важна част от много схеми за измерване на нискочестотни сигнали. При ниски честоти 60 Hz променливотоковият шум е изключително често срещан, тъй като е честотата на променливия ток, преминаващ през сгради в Съединените щати. Този шум от 60 Hz е неудобен, тъй като е в средата на пропускателната лента за ЕКГ, но филтърът с прорез може да премахне определени честоти, като запази останалата част от сигнала. При проектирането на този прорезен филтър е много важно да имате висококачествен коефициент Q, за да сте сигурни, че отклонението на границата е рязко около точката на интерес. По -долу са описани подробно изчисленията, използвани за конструиране на активен филтър с прорез, който ще се използва в ЕКГ веригата.

Първо честотата на интерес, 60 Hz трябва да се преобразува от Hz в rad/s.

честота = 2*пи*честота

честота = 376,99 rad/секунда

След това трябва да се изчисли честотната лента на отрязаните честоти. Тези стойности се определят по начин, който гарантира, че основната интересуваща честота, 60 Hz, е напълно прекъсната и само няколко околни честоти са леко засегнати.

Пропускателна способност = Cutoff2-Cutoff1

Пропускателна способност = 37.699 След това трябва да се определи качественият фактор. Факторът на качеството определя колко остър е прорезът и колко тесен започва границата. Това се изчислява, като се използва честотната лента и честотата на интерес. Q = честота/ширина на лентата

Q = 10

За този филтър се избира лесно достъпна стойност на кондензатора. Не е необходимо кондензаторът да е голям и определено не трябва да бъде твърде малък.

C = 100 nF

За да се изчисли първият резистор, използван в този филтър с активен прорез, беше използвана следната връзка, включваща коефициента на качество, честотата на интерес и избрания кондензатор.

R1 = 1/[2QC*честота]

R1 = 1326,29 ома

Вторият резистор, използван в този филтър, се изчислява, като се използва следната връзка.

R2 = 2Q/[честота*C]

R2 = 530516 ома

Крайният резистор за този филтър се изчислява, като се използват предишните две стойности на резистора. Очаква се той да бъде много подобен на първия изчислен резистор.

R3 = R1*R2/[R1+R2]

R3 = 1323 ома

След като всички стойности на компонентите са изчислени с помощта на уравненията, описани по -горе, следващият филтър с прорези трябва да бъде конструиран за точно филтриране на 60 Hz AC шум, който ще наруши ЕКГ сигнала. OP/AMP трябва да се захранва с положителни и отрицателни 15 волта, както е показано на схемата по -долу. Байпасните кондензатори са свързани от източниците на захранване на OP/AMP, така че всеки AC сигнал, който идва от източника на захранване, се пренасочва към земята, за да се гарантира, че OP/AMP няма да се запържи. За да тествате тази част от веригата, входният сигнал трябва да бъде свързан към синусоидална вълна и трябва да се извърши AC сканиране от 40 Hz до 80 Hz, за да се види филтрирането на 60 Hz сигнала.

Стъпка 4: Създайте програма LabVIEW за изчисляване на сърдечната честота

LabVIEW е полезен инструмент за работа с инструменти, както и за събиране на данни. За събиране на ЕКГ данни се използва DAQ платка, която ще отчита входните напрежения с честота на дискретизация 1 kHz. След това тези входни напрежения се извеждат на график, който се използва за показване на записа на ЕКГ. След това данните, които се събират, преминават през търсач на макс, който извежда максимално прочетените стойности. Тези стойности позволяват да се изчисли пиков праг при 98% от максималната мощност. След това се използва пиков детектор, за да се определи кога данните са по -големи от този праг. Тези данни заедно с времето между пиковете могат да се използват за определяне на сърдечната честота. Това просто изчисление точно ще определи сърдечната честота от входните напрежения, прочетени от DAQ платката.

Стъпка 5: Тестване

След като изградите веригите си готови да ги пуснете в действие! Първо, всеки етап трябва да бъде тестван с променлив ток на честоти от 0,05 Hz до 200 Hz. Входното напрежение не трябва да бъде по -голямо от 15 mV от пик до пик, така че сигналът да не се ограничава от ограниченията на OP/AMP. След това свържете всички вериги и стартирайте отново пълен променлив ток, за да се уверите, че всичко работи правилно. След като сте доволни от изхода на вашата пълна верига, е време да се свържете с него. Поставете положителния електрод на дясната си китка и отрицателния електрод на лявата китка. Поставете заземителния електрод върху глезена си. Свържете изхода на цялата верига към вашата DAQ платка и стартирайте програмата LabVIEW. Вашият ЕКГ сигнал вече трябва да се вижда на графиката на вълната на компютъра. Ако не е или е изкривен, опитайте да намалите усилването на веригата до около 10, като промените съответно резистора на усилването. Това трябва да позволи четенето на сигнала от програмата LabVIEW.