Lihtne EKG vooluring ja LabVIEW südame löögisageduse programm: 6 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:50

Elektrokardiogramm või edaspidi EKG on äärmiselt võimas diagnostika- ja jälgimissüsteem, mida kasutatakse kõigis meditsiinipraktikates. EKG -sid kasutatakse südame elektrilise aktiivsuse graafiliseks jälgimiseks, et kontrollida südame löögisageduse või elektriliste signaalide kõrvalekaldeid.

EKG näidu põhjal saab patsientide südame löögisageduse määrata QRS -komplekside vahelise ajavahemiku järgi. Lisaks saab tuvastada muid haigusseisundeid, nagu ootel olev infarkt ST -segmendi tõusu tõttu. Sellised näidud võivad olla patsiendi õige diagnoosimise ja ravi jaoks üliolulised. P -laine näitab südame aatriumi kokkutõmbumist, QRS -kõver on vatsakeste kokkutõmbumine ja T -laine on südame repolarisatsioon. Isegi sellise lihtsa teabe tundmine võib patsientidel kiiresti diagnoosida ebanormaalse südamefunktsiooni.

Meditsiinipraktikas kasutataval standardsel EKG -l on seitse elektroodi, mis on paigutatud kerge poolringikujulise kujuga südame alumise piirkonna ümber. See elektroodide paigutus võimaldab salvestamisel minimaalset müra ja võimaldab ühtlasemaid mõõtmisi. Loodud EKG -ahela jaoks kasutame ainult kolme elektroodi. Positiivne sisend -elektrood asetatakse paremale sisemisele randmele, negatiivne sisend -elektrood vasakule sisemisele randmele ja maanduselektrood ühendatakse pahkluuga. See võimaldab lugemite suhtelist täpsust üle südame võtta. Sellise mõõteriistade võimendi, madalpääsfiltri ja sälkfiltriga ühendatud elektroodide paigutuse korral peaksid EKG lainekujud olema loodud vooluahelast väljundsignaalina kergesti eristatavad.

MÄRKUS. See ei ole meditsiiniseade. See on mõeldud ainult hariduslikel eesmärkidel, kasutades simuleeritud signaale. Kui kasutate seda vooluringi tegelikes EKG mõõtmistes, veenduge, et vooluahel ja vooluahela-seadme ühendused kasutavad õigeid eraldusvõtteid

Samm: konstrueerige mõõteriistade võimendi

Mitmeastmelise mõõteriista ehitamiseks võimendusega 1000 või 60 dB tuleks kasutada järgmist võrrandit.

Kasum = (1+2*R1/Rgain)

R1 on võrdne kõigi takistitega, mida kasutatakse mõõteriistade võimendis, välja arvatud võimendustakisti, mis teatud mõttes põhjustab võimenduse esimeses etapis kogu võimenduse. See valiti 50,3 kΩ. Võimendustakisti arvutamiseks ühendatakse see väärtus ülaltoodud võrrandiga.

1000 = (1+2*50300/tagasi)

Rgain = 100,7

Pärast selle väärtuse arvutamist saab mõõteriistade võimendi konstrueerida järgmiselt selles etapis näidatud skeemina. OP/AMP -de toiteallikaks peaks olema positiivne ja negatiivne 15 volti, nagu on näidatud skeemil. Iga OP/AMP möödavoolukondensaatorid tuleks paigutada toiteallikaga järjestikku OP/AMP lähedale, et summutada toiteallikast maapinnale tulevat vahelduvvoolu signaali, et vältida OP/AMP -de praadimist ja võimalikku lisamüra signaali juurde. Samuti, et testida vooluahelate tegelikku võimendust, tuleks positiivsele elektroodisõlmele anda sisend -siinuslaine ja negatiivne elektroodisõlm ühendada maaga. See võimaldab vooluahela võimendust täpselt näha, kui sisendsignaal on tipust kuni tippu alla 15 mV.

2. samm: konstrueerige teise järgu madalpääsfilter

Teise järgu madalpääsfiltrit kasutati, et eemaldada müra, mis ületab EKG signaali huvipakkuva sageduse (150 Hz).

Teise astme madalpääsfiltri arvutustes kasutatud K väärtus on võimendus. Kuna me ei soovi oma filtrisse mingit võimendust, valisime võimendusväärtuse 1, mis tähendab, et sisendpinge on võrdne väljundpingega.

K = 1

Teise järgu Butterworthi filtri puhul, mida selles vooluringis kasutatakse, on a ja b koefitsiendid määratletud allpool. a = 1,414214 b = 1

Esiteks valitakse teine kondensaatori väärtus suhteliselt suureks kondensaatoriks, mis on laboris ja reaalses maailmas kergesti kättesaadav.

C2 = 0,1 F

Esimese kondensaatori arvutamiseks kasutatakse järgmisi seoseid selle ja teise kondensaatori vahel. K, a ja b koefitsiendid ühendati võrrandiga, et arvutada, milline see väärtus peaks olema.

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

Kuna esimene kondensaator on arvutuslikult väiksem või võrdne 50 nF, valiti järgmine kondensaatori väärtus.

C1 = 33 nF

Selle teise järgu madalpääsfiltri jaoks vajaliku esimese takisti arvutamiseks katkestussagedusega 150 Hz lahendati järgmine võrrand, kasutades nii arvutatud kondensaatori väärtusi kui ka koefitsiente K, a ja b. R1 = 2/[(piirsagedus)*[aC2*sqrt ([(a^2+4b (K-1)) C2^2-4bC1C2]

R1 = 9478 oomi

Teise takisti arvutamiseks kasutati järgmist võrrandit. Lõikesagedus on jällegi 150 Hz ja b koefitsient on 1.

R2 = 1/[bC1C2R1 (piirsagedus)^2]

R2 = 35,99 kOhm Pärast ülaltoodud väärtuste arvutamist teise astme sälgufiltri jaoks vajalike takistite ja kondensaatorite jaoks loodi aktiivse madalpääsfiltri kuvamiseks järgmine ahel. OP/AMP toiteallikaks on positiivne ja negatiivne 15 volti, nagu diagrammil näidatud. Möödavoolukondensaatorid on ühendatud toiteallikatega, nii et kõik allikast väljuvad vahelduvvoolusignaalid suunatakse maapinnale, tagamaks, et OP/AMP selle signaali tõttu ei praadiks. EKG vooluahela selle etapi testimiseks tuleks sisendsignaali sõlm ühendada siinuslainega ja filtri tööpõhimõtte tegemiseks teha vahelduvvool 1 Hz kuni 200 Hz.

3. samm: ehitage sälgufilter

Sälkfilter on paljude ahelate äärmiselt oluline osa madala sagedusega signaalide mõõtmiseks. Madalatel sagedustel on 60 Hz vahelduvvoolu müra äärmiselt levinud, kuna see on Ameerika Ühendriikide hooneid läbiva vahelduvvoolu sagedus. See 60 Hz müra on ebamugav, kuna see on EKG läbipääsuriba keskel, kuid sälgufilter võib eemaldada teatud sagedused, säilitades samal ajal ülejäänud signaali. Selle sälgufiltri projekteerimisel on väga oluline omada kõrget kvaliteeditegurit Q, mis tagab, et piirjoone rullumine on huvipunkti ümber terav. Allpool kirjeldatakse üksikasjalikult arvutusi, mida kasutati aktiivse sälgufiltri ehitamiseks, mida kasutatakse EKG -ahelas.

Esmalt tuleb huvipakkuv sagedus 60 Hz teisendada Hz -st rad/s -ks.

sagedus = 2*pi*sagedus

sagedus = 376,99 rad/sekundis

Järgmisena tuleks arvutada lõigatud sageduste ribalaius. Need väärtused määratakse viisil, mis tagab huvipakkuva põhisageduse 60 Hz täieliku katkestamise ja vaid mõne ümbritseva sageduse mõjutamise.

Ribalaius = katkestus2-katkestus1

Ribalaius = 37,699 Järgmisena tuleb määrata kvaliteeditegur. Kvaliteeditegur määrab, kui terav on sälk ja kui kitsas lõikamine algab. Selle arvutamiseks kasutatakse ribalaiust ja huvipakkuvat sagedust. Q = sagedus/ribalaius

Q = 10

Selle filtri jaoks valitakse kergesti kättesaadav kondensaatori väärtus. Kondensaator ei pea olema suur ja kindlasti mitte liiga väike.

C = 100 nF

Selle aktiivse sälgufiltri esimese takisti arvutamiseks kasutati järgmist seost, mis hõlmas kvaliteeditegurit, huvipakkuvat sagedust ja valitud kondensaatorit.

R1 = 1/[2QC*sagedus]

R1 = 1326,29 oomi

Selles filtris kasutatud teine takisti arvutatakse järgmise seose abil.

R2 = 2Q/[sagedus*C]

R2 = 530516 oomi

Selle filtri lõplik takisti arvutatakse kahe eelmise takisti väärtuse põhjal. Eeldatakse, et see on väga sarnane esimese arvutatud takistiga.

R3 = R1*R2/[R1+R2]

R3 = 1323 oomi

Pärast kõigi komponentide väärtuste arvutamist ülalkirjeldatud võrrandite abil tuleks ehitada järgmine sälkfilter, et täpselt välja filtreerida 60 Hz vahelduvvoolu müra, mis häirib EKG signaali. OP/AMP toiteallikaks peaks olema positiivne ja negatiivne 15 volti, nagu on näidatud allolevas vooluringis. Möödavoolukondensaatorid on ühendatud OP/AMP toiteallikatest, nii et kõik toiteallikast pärinevad vahelduvvoolusignaalid suunatakse maapinnale, et tagada OP/AMP praadimine. Selle vooluahela osa testimiseks sisendsignaal peaks olema ühendatud siinuslainega ja 60 Hz signaali filtreerimise nägemiseks tuleks teha vahelduvvoolu pühkimine vahemikus 40 Hz kuni 80 Hz.

4. samm: looge LabVIEW programm südame löögisageduse arvutamiseks

LabVIEW on kasulik tööriist instrumentide käitamiseks ja andmete kogumiseks. EKG andmete kogumiseks kasutatakse DAQ -tahvlit, mis loeb sisendpingeid 1 kHz diskreetimissagedusega. Need sisendpinged väljastatakse seejärel graafikule, mida kasutatakse EKG salvestuse kuvamiseks. Kogutud andmed läbivad seejärel maksimaalse leidja, mis väljastab maksimaalsed loetud väärtused. Need väärtused võimaldavad tippläve arvutada 98% maksimaalsest toodangust. Pärast seda kasutatakse tippdetektorit, et teha kindlaks, millal andmed on sellest künnisest suuremad. Neid andmeid koos piikide vahelise ajaga saab kasutada südame löögisageduse määramiseks. See lihtne arvutus määrab täpselt südame löögisageduse DAQ -plaadi loetud sisendpingete põhjal.

Samm: testimine

Pärast vooluringide ehitamist olete valmis need tööle panema! Esiteks tuleks igat etappi testida vahelduvvoolu sagedusega 0,05 Hz kuni 200 Hz. Sisendpinge ei tohiks tipust tippuni olla suurem kui 15 mV, et signaali ei piiraks OP/AMP piirangud. Seejärel ühendage kõik ahelad ja käivitage uuesti täielik vahelduvvool, et veenduda, et kõik töötab korralikult. Kui olete oma täieliku vooluahela väljundiga rahul, on aeg end sellega ühendada. Asetage positiivne elektrood paremale randmele ja negatiivne elektrood vasakule randmele. Asetage maanduselektroon pahkluule. Ühendage kogu vooluahela väljund oma DAQ -plaadiga ja käivitage programm LabVIEW. Teie EKG signaal peaks nüüd olema nähtav arvuti lainekuju graafikul. Kui see pole või on moonutatud, proovige ahela võimendust vähendada umbes 10 -ni, muutes vastavalt võimendustakistust. See peaks võimaldama programmi LabVIEW signaali lugeda.