Paprasta EKG grandinė ir „LabVIEW“širdies ritmo programa: 6 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:49

Elektrokardiograma arba EKG yra labai galinga diagnostikos ir stebėjimo sistema, naudojama visose medicinos praktikose. EKG naudojami grafiniam širdies elektrinio aktyvumo stebėjimui, siekiant patikrinti širdies ritmo ar elektros signalų sutrikimus.

Remiantis EKG rodmenimis, pacientų širdies ritmą galima nustatyti pagal laiko tarpą tarp QRS kompleksų. Be to, gali būti aptiktos kitos sveikatos būklės, pvz., Laukiantis širdies priepuolis dėl ST segmento pakilimo. Tokie rodmenys gali būti labai svarbūs norint tinkamai diagnozuoti ir gydyti pacientą. P banga rodo širdies prieširdžio susitraukimą, QRS kreivė yra skilvelių susitraukimas, o T banga - širdies repolarizacija. Žinant net tokią paprastą informaciją, kaip ši, pacientai gali greitai diagnozuoti nenormalią širdies funkciją.

Medicinos praktikoje naudojamas standartinis EKG turi septynis elektrodus, kurie yra išdėstyti švelniu pusapvaliu piešiniu aplink apatinę širdies sritį. Šis elektrodų išdėstymas užtikrina minimalų triukšmą įrašant ir taip pat leidžia atlikti nuoseklesnius matavimus. Norėdami sukurti sukurtą EKG grandinę, naudosime tik tris elektrodus. Teigiamas įvesties elektrodas bus dedamas ant dešiniojo vidinio riešo, neigiamas įėjimo elektrodas - ant kairiojo vidinio riešo, o įžeminimo elektrodas bus prijungtas prie kulkšnies. Tai leis santykinai tiksliai nuskaityti rodmenis širdyje. Įdėjus elektrodus, prijungtus prie prietaisų stiprintuvo, žemo dažnio filtro ir išpjovos filtro, EKG bangos formos turėtų būti lengvai atskiriamos kaip išvesties signalas nuo sukurtos grandinės.

PASTABA: tai nėra medicinos prietaisas. Tai tik švietimo tikslais, naudojant imituotus signalus. Jei naudojate šią grandinę tikriems EKG matavimams, įsitikinkite, kad grandinėje ir grandinės ir prietaiso jungtyse naudojami tinkami izoliacijos būdai

1 žingsnis: sukurkite instrumentų stiprintuvą

Norint sukurti daugiapakopį prietaisą, kurio padidėjimas yra 1000 arba 60 dB, turėtų būti taikoma ši lygtis.

Pelnas = (1+2*R1/Rgain)

R1 yra lygus visiems rezistoriams, naudojamiems prietaisų stiprintuve, išskyrus stiprinimo rezistorių, kuris tam tikra prasme sukels visą stiprinimą pirmame stiprintuvo etape. Tai buvo pasirinkta kaip 50,3 kΩ. Norėdami apskaičiuoti stiprinimo rezistorių, ši vertė yra prijungta prie aukščiau pateiktos lygties.

1000 = (1+2*50300/„Rgain“)

Rgainas = 100,7

Apskaičiavus šią vertę, prietaisų stiprintuvą galima sukonstruoti taip, kaip nurodyta šiame žingsnyje. OP/AMP turi būti maitinami teigiamais ir neigiamais 15 voltų, kaip parodyta grandinės schemoje. Kiekvieno OP/AMP apeinamieji kondensatoriai turi būti dedami šalia OP/AMP serijiniu būdu su maitinimo šaltiniu, kad būtų slopinamas bet koks kintamosios srovės signalas, gaunamas iš maitinimo šaltinio į žemę, kad OP/AMP nebūtų kepti ir bet koks papildomas triukšmas, kuris gali prisidėti prie signalo. Be to, norint patikrinti faktinį grandinių padidėjimą, teigiamam elektrodo mazgui turėtų būti suteikta įvesties sinusinė banga, o neigiamas elektrodo mazgas turėtų būti prijungtas prie žemės. Tai leis tiksliai matyti grandinės padidėjimą, kai įėjimo signalas yra mažesnis nei 15 mV.

2 veiksmas: sukurkite antros eilės žemo dažnio filtrą

Antros eilės žemo dažnio filtras buvo naudojamas triukšmui pašalinti, kuris viršija dominantį EKG signalo dažnį, kuris buvo 150 Hz.

Antrosios eilės žemo dažnio filtro skaičiavimuose naudojama K vertė yra padidėjimas. Kadangi mes nenorime, kad mūsų filtras padidėtų, mes pasirinkome 1 stiprinimo vertę, o tai reiškia, kad įėjimo įtampa bus lygi išėjimo įtampai.

K = 1

Antros eilės Butterworth filtrui, kuris bus naudojamas šiai grandinei, a ir b koeficientai yra apibrėžti žemiau. a = 1,414214 b = 1

Pirma, antroji kondensatoriaus vertė pasirenkama kaip santykinai didelis kondensatorius, kuris yra lengvai prieinamas laboratorijoje ir realiame pasaulyje.

C2 = 0,1 F

Norėdami apskaičiuoti pirmąjį kondensatorių, naudojami šie santykiai tarp jo ir antrojo kondensatoriaus. K, a ir b koeficientai buvo prijungti prie lygties, kad būtų galima apskaičiuoti, kokia turėtų būti ši vertė.

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

Kadangi apskaičiuota, kad pirmasis kondensatorius yra mažesnis arba lygus 50 nF, buvo pasirinkta tokia kondensatoriaus vertė.

C1 = 33 nF

Norėdami apskaičiuoti pirmąjį rezistorių, reikalingą šiam antros eilės žemo dažnio filtrui, kurio išjungimo dažnis yra 150 Hz, ši lygtis buvo išspręsta naudojant tiek apskaičiuotas kondensatoriaus vertes, tiek koeficientus K, a ir b. R1 = 2/[(ribinis dažnis)*[aC2*kv.

R1 = 9478 omai

Norėdami apskaičiuoti antrąjį rezistorių, buvo naudojama ši lygtis. Išjungimo dažnis vėl yra 150 Hz, o b koeficientas yra 1.

R2 = 1/[bC1C2R1 (ribinis dažnis)^2]

R2 = 35,99 kOhm OP/AMP maitinamas teigiamais ir neigiamais 15 voltų, kaip parodyta diagramoje. Aplinkkelio kondensatoriai yra prijungti prie maitinimo šaltinių, kad bet koks iš šaltinio sklindantis kintamosios srovės signalas būtų nukreiptas į žemę, kad šis signalas neužkertų OP/AMP. Norint išbandyti šį EKG grandinės etapą, įvesties signalo mazgas turi būti prijungtas prie sinusinės bangos ir atliekamas kintamosios srovės šlifavimas nuo 1 Hz iki 200 Hz, kad pamatytumėte, kaip veikia filtras.

3 žingsnis: sukurkite įpjovos filtrą

Įpjovos filtras yra labai svarbi daugelio žemo dažnio signalų grandinių dalis. Esant žemiems dažniams, 60 Hz kintamosios srovės triukšmas yra labai dažnas reiškinys, nes tai yra kintamosios srovės, einančios per pastatus JAV, dažnis. Tas 60 Hz triukšmas yra nepatogus, nes jis yra EKG praėjimo juostos viduryje, tačiau išpjovos filtras gali pašalinti tam tikrus dažnius, išsaugodamas likusį signalą. Projektuojant šį įpjovos filtrą, labai svarbu turėti aukštos kokybės koeficientą Q, kad būtų užtikrinta, jog ribinė riba yra aštri aplink dominančią vietą. Žemiau pateikiami skaičiavimai, naudojami norint sukurti aktyvų įpjovos filtrą, kuris bus naudojamas EKG grandinėje.

Pirmiausia dominantis dažnis 60 Hz turi būti paverstas iš Hz į rad/s.

dažnis = 2*pi*dažnis

dažnis = 376,99 rad/sek

Tada reikia apskaičiuoti sumažintų dažnių juostos plotį. Šios vertės nustatomos tokiu būdu, kuris užtikrina, kad pagrindinis dominantis dažnis, 60 Hz, būtų visiškai nutrauktas ir tik keli aplinkiniai dažniai būtų šiek tiek paveikti.

Pralaidumas = riba2-riba1

Pralaidumas = 37.699 Toliau reikia nustatyti kokybės koeficientą. Kokybės koeficientas lemia, koks įpjovimas yra aštrus ir kiek siauras prasideda riba. Tai apskaičiuojama naudojant pralaidumą ir dominantį dažnį. Q = dažnis/juostos plotis

Q = 10

Šiam filtrui pasirenkama lengvai prieinama kondensatoriaus vertė. Kondensatorius neturi būti didelis ir tikrai neturėtų būti per mažas.

C = 100 nF

Norėdami apskaičiuoti pirmąjį rezistorių, naudojamą šiame aktyviame išpjovos filtre, buvo naudojamas toks santykis, susijęs su kokybės koeficientu, dominančiu dažniu ir pasirinktu kondensatoriumi.

R1 = 1/[2QC*dažnis]

R1 = 1326,29 omai

Antrasis šiame filtre naudojamas rezistorius apskaičiuojamas naudojant tokį ryšį.

R2 = 2Q/[dažnis*C]

R2 = 530516 omai

Galutinis šio filtro rezistorius apskaičiuojamas naudojant dvi ankstesnes rezistorių reikšmes. Tikimasi, kad jis bus labai panašus į pirmą apskaičiuotą rezistorių.

R3 = R1*R2/[R1+R2]

R3 = 1323 omai

Kai visos komponento vertės apskaičiuojamos naudojant aukščiau aprašytas lygtis, reikia sukurti tokį įpjovos filtrą, kuris tiksliai išfiltruotų 60 Hz kintamosios srovės triukšmą, kuris sutrikdys EKG signalą. OP/AMP turi būti maitinamas teigiamais ir neigiamais 15 voltų, kaip parodyta žemiau esančioje grandinėje. Aplinkkelio kondensatoriai yra prijungti prie OP/AMP maitinimo šaltinių, kad bet koks kintamosios srovės signalas, gaunamas iš maitinimo šaltinio, būtų nukreiptas į žemę, kad OP/AMP nebūtų kepti. Norėdami išbandyti šią grandinės dalį, įvesties signalas turėtų būti prijungtas prie sinusinės bangos, o kintamosios srovės šlifavimas turėtų būti atliekamas nuo 40 Hz iki 80 Hz, kad būtų matomas 60 Hz signalo filtravimas.

4 žingsnis: sukurkite „LabVIEW“programą širdies ritmui apskaičiuoti

„LabVIEW“yra naudingas instrumentų veikimo ir duomenų rinkimo įrankis. EKG duomenims rinkti naudojama DAQ plokštė, kuri nuskaito įėjimo įtampą 1 kHz mėginių ėmimo dažniu. Šios įvesties įtampos perduodamos į grafiką, kuris naudojamas EKG įrašui rodyti. Surinkti duomenys eina per maksimalų ieškiklį, kuris pateikia maksimalias nuskaitytas vertes. Šios vertės leidžia apskaičiuoti didžiausią slenkstį, esant 98% maksimalios produkcijos. Po to piko detektorius naudojamas nustatyti, kada duomenys yra didesni už tą ribą. Šie duomenys kartu su laiku tarp smailių gali būti naudojami širdies ritmui nustatyti. Šis paprastas apskaičiavimas tiksliai nustatys širdies ritmą pagal įvesties įtampas, kurias skaito DAQ plokštė.

5 žingsnis: bandymas

Sukūrę grandines, esate pasirengę jas pradėti naudoti! Pirma, kiekvienas etapas turėtų būti išbandytas kintamosios srovės dažniu nuo 0,05 Hz iki 200 Hz. Įėjimo įtampa turi būti ne didesnė kaip 15 mV iki smailės, kad signalas nebūtų pažeistas OP/AMP apribojimų. Tada prijunkite visas grandines ir vėl paleiskite pilną kintamosios srovės srautą, kad įsitikintumėte, jog viskas veikia tinkamai. Kai būsite patenkinti visos grandinės išvestimi, laikas prisijungti prie jo. Padėkite teigiamą elektrodą ant dešiniojo riešo, o neigiamą - ant kairiojo riešo. Įdėkite įžeminimo elektrodą ant kulkšnies. Prijunkite visos grandinės išvestį prie savo DAQ plokštės ir paleiskite „LabVIEW“programą. Dabar jūsų EKG signalas turėtų būti matomas kompiuterio bangos formos diagramoje. Jei jis nėra arba yra iškraipytas, pabandykite sumažinti grandinės padidėjimą iki maždaug 10, atitinkamai pakeisdami stiprinimo rezistorių. Tai turėtų leisti signalą nuskaityti „LabVIEW“programai.