Jednostavan automatizirani EKG (1 pojačalo, 2 filtera): 7 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:34

Elektrokardiogram (EKG) mjeri i prikazuje električnu aktivnost srca pomoću različitih elektroda postavljenih na kožu. EKG se može stvoriti pomoću instrumentalnog pojačala, usjeknog filtra i niskopropusnog filtra. Na kraju, filtrirani i pojačani signal može se vizualizirati pomoću softvera LabView. LabView također koristi dolaznu frekvenciju signala za izračunavanje otkucaja srca ljudskog subjekta. Izgrađeno instrumentacijsko pojačalo uspješno je uzelo mali signal tijela i pojačalo ga na 1 V, pa se moglo vidjeti na računalu pomoću LabView -a. Urezani i niskopropusni filteri uspješno su smanjili šum od 60 Hz iz napajanja i smetnje iznad 350 Hz. Otkucaji srca u mirovanju izmjereni su na 75 bpm, a 137 bpm nakon pet minuta intenzivnog vježbanja. EKG je mogao mjeriti otkucaje srca pri realnim vrijednostima i vizualizirati različite komponente tipičnog oblika EKG -a. U budućnosti bi se ovaj EKG mogao poboljšati promjenom pasivnih vrijednosti u usječnom filtru kako bi se smanjila veća buka oko 60 Hz.

Korak 1: Izradite pojačalo za instrumente

Trebat će vam: LTSpice (ili neki drugi softver za vizualizaciju kola)

Instrumentacijsko pojačalo stvoreno je za povećanje veličine signala kako bi bio vidljiv i omogućio analizu valnog oblika.

Korištenjem R1 = 3,3 k ohma, R2 = 33 k ohma, R3 = 1 k ohma, R4 = 48 ohma postiže se dobitak od X. Dobitak = -R4/R3 (1+R2/R1) = -47k/1k (1- (33k/3,3k)) = -1008

Budući da u konačnom op pojačalu signal ide u invertirajući pin, dobitak je 1008. Ovaj dizajn je kreiran u LTSpice -u, a zatim simuliran izmjenom izmjenične struje od 1 do 1 kHz sa 100 točaka po desetljeću za ulaz sinusnog vala s izmjeničnom strujom od 1 V.

Provjerili smo da li je naš dobitak sličan namjeravani dobitak. Iz grafikona smo pronašli dobitak = 10^(60/20) = 1000 što je dovoljno blizu našeg predviđenog dobitka od 1008.

Korak 2: Izradite Notch Filter

Trebat će vam: LTSpice (ili neki drugi softver za vizualizaciju kola)

Urezani filtar je specifična vrsta niskopropusnog filtra nakon kojega slijedi visokopropusni filter za uklanjanje određene frekvencije. Urezani filter koristi se za uklanjanje buke koju stvaraju svi elektronički uređaji prisutna na 60Hz.

Izračunate su pasivne vrijednosti: C =.1 uF (odabrana vrijednost) 2C =.2 uF (upotrijebljen kondenzator.22 uF)

Koristit će se AQ faktor 8: R1 = 1/(2*Q*2*pi*f*C) = 1/(2*8*2*3,14159*60*.1E-6) = 1,66 kOhm (1,8 kOhm je korišten) R2 = 2Q/(2*pi*f*C) = (2*8)/(60 Hz*2*3,14159*.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm je bilo rabljeno) Podjela napona: Rf = R1 * R2 / (R1 + R2) = 1,8 kOhm * 423 kOhm / (1,8 kOhm + 423 kOhm) = 1,79 kOhm (korišten je 1,8 kOhm)

Ovaj dizajn filtera ima pojačanje 1, što znači da nema pojačavačkih svojstava.

Uključivanjem pasivnih vrijednosti i simulacijom na LTSpice pomoću AC Sweep -a i ulaznog signala sinusnog vala od 0,1 V s izmjeničnom frekvencijom od 1 kHz dolazi do priloženog grafikona bode.

Na frekvenciji od oko 60 Hz signal doseže najniži napon. Filter uspješno uklanja šum od 60 Hz do neprimjetnog napona od 0,01 V i osigurava pojačanje 1, budući da je ulazni napon 0,1 V.

Korak 3: Izradite niskopropusni filtar

Trebat će vam: LTSpice (ili neki drugi softver za vizualizaciju kola)

Stvoren je niskopropusni filter za uklanjanje signala iznad praga interesa koji bi sadržavao EKG signal. Prag interesa bio je između 0 - 350Hz.

Vrijednost kondenzatora odabrana je na 0,1 uF. Potrebni otpor izračunava se za visoku graničnu frekvenciju od 335 Hz: C = 0,1 uF R = 1/(2pi*0,1*(10^-6)*335 Hz) = 4,75 kOhm (upotrijebljeno je 4,7 kOhm)

Uključivanjem pasivnih vrijednosti i simulacijom na LTSpice pomoću AC Sweep -a i ulaznog signala sinusnog vala od 0,1 V s izmjeničnom frekvencijom od 1 kHz dolazi do priloženog grafikona bode.

Korak 4: Izradite krug na pločici

Trebat će vam: otpornici različitih vrijednosti, kondenzatori različitih vrijednosti, operativna pojačala UA 471, kratkospojni kablovi, matična ploča, spojni kabeli, napajanje ili 9 V baterija

Sada kada ste simulirali svoj krug, vrijeme je da ga izgradite na ploči. Ako nemate navedene točne vrijednosti, upotrijebite ono što imate ili kombinirajte otpornike i kondenzatore kako biste izradili potrebne vrijednosti. Ne zaboravite napajati svoju ploču za kruh pomoću 9 -voltne baterije ili istosmjernog napajanja. Svaki op pojačalo treba pozitivan i negativan izvor napona.

Korak 5: Postavljanje LabView okruženja

Trebat će vam: LabView softver, računalo

Kako bi se automatizirao prikaz valnog oblika i izračunao broj otkucaja srca, korišten je LabView. LabView je program koji se koristi za vizualizaciju i analizu podataka. Izlaz EKG kruga je ulaz za LabView. Podaci se unose, grafički i analiziraju na temelju dolje prikazanog blok dijagrama.

Prvo, DAQ pomoćnik prima analogni signal iz kruga. Upute za uzorkovanje postavljene su ovdje. Brzina uzorkovanja bila je 1k uzoraka u sekundi, a interval je bio 3k ms, stoga je vremenski interval koji se vidi na grafikonu valnog oblika 3 sekunde. Grafikon valnog oblika primio je podatke od DAQ pomoćnika, a zatim ih iscrtao u prozoru prednje ploče. Donji dio blok dijagrama obuhvaća izračun brzine otkucaja srca. Prvo se izmjere maksimum i minimum vala. Zatim se ova mjerenja amplitude koriste kako bi se utvrdilo pojavljuju li se vrhovi koji su definirani kao 95% maksimalne amplitude, i ako je tako, bilježi se vremenska točka. Nakon što se otkriju vrhovi, amplituda i vremenska točka pohranjuju se u nizove. Zatim se broj vrhova/ sekundi pretvara u minute i prikazuje na prednjoj ploči. Prednja ploča prikazuje valni oblik i otkucaje u minuti.

Krug je spojen na LabVIEW putem ADC -a National Instruments kao što je prikazano na gornjoj slici. Generator funkcija proizveo je simulirani EKG signal i ušao je u ADC koji je podatke prenio u LabView radi grafičkog prikaza i analize. Dodatno, nakon što je BPM izračunat u LabVIEW -u, numerički pokazatelj je korišten za ispis te vrijednosti na prednjoj ploči aplikacije uz graf valnog oblika, kao što se vidi na slici 2.

Korak 6: Ispitni krug pomoću generatora funkcija

Trebat će vam: krug na matičnoj ploči, spojni kabeli, izvor napajanja ili 9 V baterija, ADC National Instruments, softver LabView, računalo

Za testiranje LabView instrumentacije simulirani EKG je ušao u krug, a izlaz kruga je spojen na LabView putem ADC -a National Instruments. Prvo je u krug ušao signal od 20 mVpp na 1Hz za simulaciju otkucaja srca u mirovanju. Prednja ploča LabView prikazana je na donjoj slici. Vidljivi su P, T, U val i QRS kompleks. BMP je ispravno izračunat i prikazan u numeričkom pokazatelju. U krugu postoji pojačanje od oko 8 V/0,02 V = 400, što je slično onome što smo vidjeli kada je krug bio spojen na osciloskop. U prilogu je slika rezultata u LabView -u. Zatim, za simulaciju povišenog otkucaja srca, na primjer tijekom vježbe, u krug je ušao signal od 20 mVpp na 2Hz. Postojao je usporedivi dobitak s testom pri broju otkucaja srca. Ispod valnog oblika vidljivo je da imaju sve iste dijelove kao i prije samo brže. Puls se izračunava i prikazuje u numeričkom pokazatelju i vidimo očekivanih 120 BPM.

Korak 7: Ispitni krug pomoću ljudskog subjekta

Trebat će vam: krug na matičnoj ploči, spojni kabeli, izvor napajanja ili 9 V baterija, ADC National Instruments, softver LabView, računalo, elektrode (najmanje tri), ljudski subjekt

Konačno, krug se testirao s EKG vodičima za ljudski subjekt koji su ulazili u krug i izlaz kruga ulazi u LabView. Tri elektrode su stavljene na subjekt kako bi dobile pravi signal. Elektrode su postavljene na oba zapešća i desni gležanj. Desni zglob je bio pozitivan ulaz, lijevi zglob je bio negativan, a gležanj je samljeven. Ponovno su podaci uneseni u LabView za obradu. Konfiguracija elektrode je priložena kao slika.

Prvo je prikazan i analiziran EKG signal subjekta u mirovanju. U mirovanju je ispitanik imao otkucaje srca otprilike 75 otkucaja u minuti. Ispitanik je zatim sudjelovao u intenzivnoj tjelesnoj aktivnosti 5 minuta. Subjekt je ponovno spojen i snimljen je povišeni signal. Otkucaji srca bili su otprilike 137 otkucaja u minuti nakon aktivnosti. Taj je signal bio manji i imao je više šuma. Elektrode su postavljene na oba zapešća i desni gležanj. Desni zglob je bio pozitivan ulaz, lijevi zglob je bio negativan, a gležanj je izgnječen. Ponovno su podaci uneseni u LabView za obradu.

Prosječna osoba ima EKG signal od oko 1mV. Očekivani dobitak bio nam je oko 1000, stoga bismo očekivali izlazni napon od 1V. Iz snimke u mirovanju koja se vidi na slici XX, amplituda QRS kompleksa je otprilike (-0,7)-(-1,6) = 0,9 V. To stvara pogrešku od 10%. (1-0,9)/1*100 = 10% Broj otkucaja srca u mirovanju standardnog čovjeka je 60, izmjereno oko 75, to stvara | 60-75 |*100/60 = 25% pogreške. Povišen broj otkucaja srca standardnog čovjeka je 120, izmjereno je oko 137, što stvara | 120-137 |*100/120 = 15% pogreške.

Čestitamo! Sada ste izgradili vlastiti automatizirani EKG.