Jednostavni EKG krug i LabVIEW program otkucaja srca: 6 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

Elektrokardiogram, ili dalje poznat kao EKG, iznimno je moćan dijagnostički i nadzorni sustav koji se koristi u svim medicinskim praksama. EKG se koristi za grafičko promatranje električne aktivnosti srca radi provjere abnormalnosti u brzini otkucaja srca ili električne signalizacije.

Iz očitanja EKG -a, broj otkucaja srca pacijenata može se odrediti prema vremenskom razmaku između QRS kompleksa. Osim toga, mogu se otkriti i druga medicinska stanja, poput srčanog udara u tijeku zbog povišenja ST segmenta. Ovakva čitanja mogu biti ključna za ispravnu dijagnozu i liječenje pacijenta. P val pokazuje kontrakciju srčanog atrija, QRS krivulja je ventrikularna kontrakcija, a T val repolarizacija srca. Poznavajući čak i jednostavne informacije poput ove, pacijenti mogu brzo dijagnosticirati abnormalnu funkciju srca.

Standardni EKG koji se koristi u medicinskoj praksi ima sedam elektroda postavljenih u blagi polukružni uzorak oko donjeg dijela srca. Ovakav položaj elektroda omogućuje minimalni šum pri snimanju, a također omogućuje dosljednija mjerenja. U svrhu stvaranja EKG kruga koristit ćemo samo tri elektrode. Pozitivna ulazna elektroda bit će postavljena na desni unutarnji zglob, negativna ulazna elektroda bit će postavljena na lijevi unutarnji zglob, a uzemljena elektroda spojena je na gležanj. To će omogućiti mjerenje očitavanja srca sa relativnom točnošću. S takvim postavljanjem elektroda spojenih na instrumentacijsko pojačalo, niskopropusni filtar i urezani filtar, valoviti oblici EKG -a trebali bi se lako razlikovati kao izlazni signal iz stvorenog kruga.

NAPOMENA: Ovo nije medicinski uređaj. Ovo je samo u obrazovne svrhe korištenjem simuliranih signala. Ako ovaj krug koristite za stvarna mjerenja EKG-a, provjerite koriste li krug i veze krug-instrument ispravne tehnike izolacije

Korak 1: Konstruirajte instrumentalno pojačalo

Za izgradnju višestepenog instrumenta s pojačanjem od 1000 ili 60 dB, treba primijeniti sljedeću jednadžbu.

Dobit = (1+2*R1/Povratak)

R1 je jednak svim otpornicima koji se koriste u instrumentnom pojačalu osim otpornika pojačanja koji će u određenom smislu uzrokovati uključivanje sve dobiti u prvu fazu pojačala. Odabrano je 50,3 kΩ. Za izračun otpornika pojačanja, ova vrijednost je uključena u gornju jednadžbu.

1000 = (1+2*50300/povratak)

Povrat = 100,7

Nakon izračunavanja ove vrijednosti, instrumentalno pojačalo može se konstruirati kao sljedeći krug prikazan u ovom koraku. OP/AMP -ove treba napajati s pozitivnih i negativnih 15 volti kako je prikazano na dijagramu kruga. Zaobilazni kondenzatori za svaki OP/AMP trebaju biti postavljeni u blizini OP/AMP -a u nizu s napajanjem kako bi prigušili svaki AC signal koji dolazi iz izvora napajanja na masu kako bi se spriječilo prženje OP/AMP -a i bilo koja dodatna buka koja bi mogla pridonijeti na signal. Također, za ispitivanje stvarnog dobitka u krugovima, čvoru pozitivne elektrode treba dati ulazni sinusni val, a čvor negativne elektrode spojiti na masu. To će omogućiti da se dobitak kruga točno vidi s ulaznim signalom manjim od 15 mV od vrha do vrha.

Korak 2: Konstruirajte niskopropusni filtar 2. reda

Niskopropusni filtar drugog reda upotrijebljen je za uklanjanje šuma iznad frekvencije od interesa za EKG signal koja je bila 150 Hz.

Vrijednost K koja se koristi u izračunima za niskopropusni filter 2. reda je dobitak. Budući da ne želimo nikakav dobitak u našem filtru, odabrali smo vrijednost pojačanja 1 što znači da će ulazni napon biti jednak izlaznom naponu.

K = 1

Za Butterworthov filter drugog reda koji će se koristiti za ovaj krug, dolje su definirani koeficijenti a i b. a = 1,414214 b = 1

Prvo, druga vrijednost kondenzatora odabrana je za relativno veliki kondenzator koji je lako dostupan u laboratoriju i stvarnom svijetu.

C2 = 0,1 F.

Za izračun prvog kondenzatora koriste se sljedeći odnosi između njega i drugog kondenzatora. Koeficijenti K, a i b uključeni su u jednadžbu kako bi izračunali kolika bi ta vrijednost trebala biti.

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

Budući da se računa da je prvi kondenzator manji ili jednak 50 nF, odabrana je sljedeća vrijednost kondenzatora.

C1 = 33 nF

Za izračun prvog otpornika potrebnog za ovaj niskopropusni filter drugog reda s graničnom frekvencijom od 150 Hz riješena je sljedeća jednadžba pomoću izračunatih vrijednosti kondenzatora i koeficijenata K, a i b. R1 = 2/[(granična frekvencija)*[aC2*sqrt ([(a^2+4b (K-1)) C2^2-4bC1C2])]

R1 = 9478 Ohma

Za izračun drugog otpornika korištena je sljedeća jednadžba. Granična frekvencija ponovno je 150 Hz, a b koeficijent 1.

R2 = 1/[bC1C2R1 (granična frekvencija)^2]

R2 = 35,99 kOhmNakon izračuna gornjih vrijednosti za otpornike i kondenzatore potrebne za zasječni filter drugog reda, napravljen je sljedeći krug za prikaz aktivnog niskopropusnog filtra koji će se koristiti. OP/AMP se napaja s pozitivnih i negativnih 15 volti kako je prikazano na dijagramu. Zaobilazni kondenzatori su spojeni na izvore napajanja tako da se svaki izmjenični signal koji izlazi iz izvora preusmjerava na masu kako bi se osiguralo da se OP/AMP ne ispeče ovim signalom. Kako bi se ispitao ovaj stupanj EKG kruga, čvor ulaznog signala trebao bi biti spojen na sinusni val i potrebno je izvesti izmjenu naizmjenične struje od 1 Hz do 200 Hz kako bi se vidjelo kako filtar radi.

Korak 3: Konstruirajte Notch filter

Urezani filter iznimno je važan dio mnogih krugova za mjerenje niskofrekventnih signala. Na niskim frekvencijama, 60 Hz izmjenična buka iznimno je česta jer je to frekvencija izmjenične struje koja prolazi kroz zgrade u Sjedinjenim Državama. Taj šum od 60 Hz nije zgodan jer se nalazi u sredini prolaznog pojasa za EKG, ali urezani filter može ukloniti određene frekvencije, a očuvati ostatak signala. Prilikom projektiranja ovog urezanog filtera, vrlo je važno imati faktor visoke kvalitete, Q, kako bi se osiguralo da je otjecanje graničnika oštro oko točke interesa. U nastavku su navedeni izračuni koji su korišteni za konstruiranje aktivnog filtera s urezima koji će se koristiti u krugu EKG -a.

Prvo se frekvencija od 60 Hz mora pretvoriti iz Hz u rad/s.

frekvencija = 2*pi*frekvencija

frekvencija = 376,99 rad/sekundu

Zatim bi trebalo izračunati propusnost propusnih frekvencija. Ove se vrijednosti određuju na način koji osigurava da je glavna frekvencija od interesa, 60 Hz, potpuno odsječena i da će samo nekoliko okolnih frekvencija biti malo pogođeno.

Širina pojasa = Cutoff2-Cutoff1

Širina pojasa = 37,699 Faktor kvalitete mora se dalje odrediti. Faktor kvalitete određuje koliko je zarez oštar i koliko uzak počinje rez. To se izračunava pomoću širine pojasa i frekvencije interesa. Q = frekvencija/širina pojasa

Q = 10

Za ovaj filtar odabire se lako dostupna vrijednost kondenzatora. Kondenzator ne mora biti velik i definitivno ne smije biti premalen.

C = 100 nF

Za izračun prvog otpornika upotrijebljenog u ovom filtru s aktivnim usjekom, korišten je sljedeći odnos koji uključuje faktor kvalitete, frekvenciju od interesa i odabrani kondenzator.

R1 = 1/[2QC*frekvencija]

R1 = 1326,29 Ohma

Drugi otpornik koji se koristi u ovom filtru izračunava se pomoću sljedeće relacije.

R2 = 2Q/[frekvencija*C]

R2 = 530516 Ohma

Završni otpornik za ovaj filtar izračunava se pomoću prethodne dvije vrijednosti otpornika. Očekuje se da će biti vrlo sličan prvom izračunatom otporniku.

R3 = R1*R2/[R1+R2]

R3 = 1323 ohma

Nakon što su sve vrijednosti komponenata izračunate pomoću gore navedenih jednadžbi, sljedeći usječni filtar trebao bi biti konstruiran za točno filtriranje 60 Hz izmjenične buke koja će poremetiti EKG signal. OP/AMP treba napajati s pozitivnih i negativnih 15 volti kako je prikazano u donjem krugu. Zaobilazni kondenzatori povezani su s izvora napajanja na OP/AMP -u tako da se svaki izmjenični signal koji dolazi iz izvora napajanja preusmjerava na masu kako bi se osiguralo da se OP/AMP ne ispeče. Da biste testirali ovaj dio kruga, ulazni signal treba biti spojen na sinusni val te treba izvesti izmjenu izmjenične struje od 40 Hz do 80 Hz kako bi se vidjelo filtriranje signala od 60 Hz.

Korak 4: Izradite program LabVIEW za izračunavanje brzine otkucaja srca

LabVIEW je koristan alat za pokretanje instrumenata kao i za prikupljanje podataka. Za prikupljanje EKG podataka koristi se DAQ ploča koja će očitavati ulazne napone pri brzini uzorkovanja od 1 kHz. Ti se ulazni naponi zatim šalju na grafikon koji se koristi za prikaz snimanja EKG -a. Prikupljeni podaci zatim prolaze kroz uređaj za pronalaženje maksimuma koji daje maksimalne očitane vrijednosti. Ove vrijednosti omogućuju izračunavanje vršnog praga na 98% maksimalnog izlaza. Nakon toga se detektor vrha koristi za utvrđivanje kada su podaci veći od tog praga. Ti se podaci, zajedno s vremenom između vrhova, mogu koristiti za određivanje brzine otkucaja srca. Ovaj jednostavni izračun točno će odrediti broj otkucaja srca prema ulaznim naponima koje očitava DAQ ploča.

Korak 5: Testiranje

Nakon izgradnje sklopova spremni ste ih staviti u funkciju! Prvo, svaki stupanj treba testirati izmjeničnim izmjenjivanjem frekvencija od 0,05 Hz do 200 Hz. Ulazni napon ne smije biti veći od 15 mV od vrha do vrha kako signal ne bi bio ograničen OP/AMP ograničenjima. Zatim spojite sve krugove i ponovno pokrenite potpunu izmjenu napona kako biste bili sigurni da sve radi ispravno. Nakon što ste zadovoljni izlazom cijelog kruga, vrijeme je da se povežete na njega. Pozitivnu elektrodu postavite na desni zglob, a negativnu na lijevo. Stavite elektrodu za uzemljenje na gležanj. Spojite izlaz cijelog kruga na svoju DAQ ploču i pokrenite program LabVIEW. Vaš EKG signal sada bi trebao biti vidljiv na grafikonu valnog oblika na računalu. Ako nije ili je iskrivljen, pokušajte smanjiti dobitak kruga na oko 10 promjenom otpornika pojačanja u skladu s tim. To bi trebalo omogućiti čitanje signala pomoću programa LabVIEW.