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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:06

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

Korak 1: Kreirajte instrumentacijsko pojačalo

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

Instrumentacijsko pojačalo je stvoreno da poveća veličinu 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 pojačanje od X. Gain = -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 naizmjenične struje od 1 do 1 kHz sa 100 točaka po deceniji 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 planiranog dobitka od 1008.

Korak 2: Kreirajte Notch Filter

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

Urezani filter je specifična vrsta niskopropusnog filtera nakon kojeg 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 koristi se) 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 sa AC frekvencijom od 1 kHz dolazi do priloženog grafikona bode.

Na frekvenciji od oko 60 Hz signal dostiže 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: Kreirajte niskopropusni filter

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 (korišteno je 4,7 kOhm)

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

Korak 4: Kreirajte krug na pločici

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

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

Korak 5: Postavljanje LabView okruženja

Trebat će vam: LabView softver, računar

Kako bi se automatizirao prikaz valnog oblika i proračun 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 osnovu dolje prikazanog blok dijagrama.

Prvo, DAQ pomoćnik prima analogni signal iz kola. Upute za uzorkovanje postavljene su ovdje. Brzina uzorkovanja bila je 1k uzoraka u sekundi, a interval je bio 3k ms, stoga je vremenski interval viđen na grafikonu talasa 3 sekunde. Grafikon valnog oblika je primio podatke od DAQ pomoćnika i zatim ih iscrtava u prozoru prednje ploče. Donji dio blok dijagrama obuhvaća proračun brzine otkucaja srca. Prvo se mjere maksimum i minimum vala. Zatim se ova mjerenja amplitude koriste za utvrđivanje pojavljivanja vrhova koji su definirani kao 95% maksimalne amplitude, te ako je tako zabilježena vremenska točka. Nakon što se otkriju vrhovi, amplituda i vremenska tačka se čuvaju u nizovima. 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 prenio podatke u LabView radi grafičkog prikaza i analize. Dodatno, nakon što je BPM izračunat u LabVIEW -u, numerički indikator je korišten za ispis te vrijednosti na prednjoj ploči aplikacije uz graf valnog oblika, kao što se vidi na slici 2.

Korak 6: Ispitajte krug pomoću generatora funkcija

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

Da bi se testirala LabView instrumentacija, simulirani EKG je unesen u kolo, a izlaz kola je povezan sa LabView -om preko ADC -a National Instruments. Prvo je signal od 20 mVpp na 1Hz ušao u kolo za simulaciju otkucaja srca u mirovanju. Prednja ploča LabView prikazana je na donjoj slici. Vidljivi su P, T, U talas i QRS kompleks. BMP je pravilno izračunat i prikazan u numeričkom indikatoru. Postoji pojačanje od oko 8 V/0,02 V = 400 kroz kolo koje je slično onome što smo vidjeli kada je kolo bilo spojeno na osciloskop. U prilogu je slika rezultata u LabView -u. Zatim, za simulaciju povećanog otkucaja srca, na primjer tokom vježbe, u krug je ušao signal od 20 mVpp na 2Hz. Postojao je uporediv dobitak sa testom pri broju otkucaja srca. Ispod talasnog oblika vidi se da svi isti dijelovi kao i ranije imaju samo veću brzinu. Puls se izračunava i prikazuje u numeričkom indikatoru i vidimo očekivanih 120 BPM.

Korak 7: Ispitni krug pomoću humanog subjekta

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

Konačno, krug se testirao sa EKG vodičima za ljudski subjekt koji su ulazili u krug i izlaz kola koji je išao u LabView. Tri elektrode su stavljene na subjekt da dobiju pravi signal. Elektrode su postavljene na oba zgloba i na desni gležanj. Desni zglob je bio pozitivan ulaz, lijevi zglob je bio negativan, a gležanj je izgnječen. Ponovo su podaci uneti 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 fizičkoj aktivnosti 5 minuta. Subjekt je ponovo povezan i snimljen je povećani signal. Otkucaji srca su bili otprilike 137 otkucaja u minuti nakon aktivnosti. Ovaj signal je bio manji i imao je više šuma. Elektrode su postavljene na oba zgloba i na desni gležanj. Desni zglob je bio pozitivan ulaz, lijevi zglob je bio negativan, a gležanj je izgnječen. Ponovo su podaci uneti 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 snimka u mirovanju viđenog na slici XX, amplituda QRS kompleksa je otprilike (-0,7)-(-1,6) = 0,9 V. Ovo proizvodi grešku od 10%. (1-0,9)/1*100 = 10% Otkucaji srca u mirovanju standardnog čovjeka su 60, izmjereno je oko 75, ovo proizvodi | 60-75 |*100/60 = 25% greške. Povišen broj otkucaja srca standardnog čovjeka je 120, izmjereno je oko 137, što proizvodi | 120-137 |*100/120 = 15% greške.

Čestitam! Sada ste izgradili vlastiti automatizirani EKG.