Jednostavni EKG krug i LabVIEW program otkucaja srca: 6 koraka

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

Elektrokardiogram, ili dalje poznat kao EKG, izuzetno je moćan dijagnostički i nadzorni sistem 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 očitavanja 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 čekanja na srčani udar zbog elevacije ST segmenta. Ovakva čitanja mogu biti ključna za pravilno dijagnosticiranje i liječenje pacijenta. P val pokazuje kontrakciju srčane pretklijetke, QRS krivulja je ventrikularna kontrakcija, a T val repolarizacija srca. Poznavanje čak i jednostavnih informacija poput ove može pacijentima 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. Ovakvo postavljanje elektroda omogućava minimalnu buku pri snimanju, a omogućava i 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 će biti spojena na gležanj. Ovo će omogućiti čitanje očitavanja srca sa relativnom tačnošću. S ovim postavljanjem elektroda spojenih na instrumentacijsko pojačalo, niskopropusni filter i urezani filter, EKG talasne oblike treba lako razlikovati kao izlazni signal iz stvorenog kola.

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

Korak 1: Konstruirajte instrumentacijsko pojačalo

Za konstrukciju višestepene instrumentacije 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 instrumentacijskom pojačalu osim otpornika pojačanja koji će u određenom smislu uzrokovati uključivanje sve dobiti u prvu fazu pojačala. Odabrano je 50,3 kΩ. Za izračunavanje otpornika pojačanja, ova vrijednost je uključena u gornju jednadžbu.

1000 = (1+2*50300/povratak)

Povrat = 100,7

Nakon izračunavanja ove vrijednosti, instrumentacijsko pojačalo se može konstruirati kao sljedeće kolo prikazano u ovom koraku. OP/AMP -ove treba napajati s pozitivnih i negativnih 15 volti kako je prikazano na dijagramu kola. 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 sprženje OP/AMP -a i bilo koja dodatna buka koja bi mogla pridonijeti na signal. Također, za ispitivanje stvarnog dobitka u krugovima, čvor pozitivne elektrode treba dobiti ulazni sinusni val, a čvor negativne elektrode spojiti na masu. Ovo će omogućiti da se dobitak kruga precizno vidi sa ulaznim signalom manjim od 15 mV od vrha do vrha.

Korak 2: Konstruirajte niskopropusni filter 2. reda

Niskopropusni filter 2. reda korišten je za uklanjanje šuma iznad frekvencije od interesa za EKG signal koja je bila 150 Hz.

Vrijednost K koja se koristi u proračunima za niskopropusni filter 2. reda je dobitak. Budući da ne želimo nikakav dobitak u našem filteru, 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 ovo kolo, donji su koeficijenti a i b. a = 1.414214 b = 1

Prvo, druga vrijednost kondenzatora odabrana je za relativno veliki kondenzator koji je lako dostupan u laboratoriji 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 trebala biti ta vrijednost.

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

Da bi se izračunao prvi otpornik potreban za ovaj niskopropusni filter drugog reda sa 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 izračunavanje drugog otpornika korištena je sljedeća jednadžba. Granična frekvencija opet 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 zarezni filter drugog reda, napravljeno je sljedeće kolo za prikaz aktivnog niskopropusnog filtera 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. Da bi se testirao ovaj stupanj EKG kruga, čvor ulaznog signala treba spojiti na sinusni val i izvesti izmjenu izmjeničnog napona od 1 Hz do 200 Hz kako bi se vidjelo kako filter radi.

Korak 3: Konstruirajte Notch filter

Urezani filter je izuzetno važan dio mnogih kola za mjerenje niskofrekventnih signala. Na niskim frekvencijama, 60 Hz izmjenična buka je izuzetno 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 zadržati 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 proračuni korišteni za konstrukciju aktivnog filtera sa urezima koji će se koristiti u EKG krugu.

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 propusni opseg presječenih frekvencija. Ove vrijednosti su određene na način koji osigurava da je glavna frekvencija od interesa, 60 Hz, potpuno odsječena i da će samo nekoliko okolnih frekvencija biti malo pogođeno.

Propusni opseg = Cutoff2-Cutoff1

Širina pojasa = 37,699 Faktor kvalitete mora se dalje odrediti. Faktor kvalitete određuje koliko je oštar zarez i koliko uzak počinje presjek. Ovo 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 izračunavanje prvog otpornika koji se koristi 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 Ohm

Konačni otpornik za ovaj filter 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 opisanih jednadžbi, sljedeći urezani filter trebao bi biti konstruiran za precizno filtriranje šuma izmjenične struje od 60 Hz koji će poremetiti EKG signal. OP/AMP treba napajati s pozitivnih i negativnih 15 volti kako je prikazano u donjem krugu. Zaobilazni kondenzatori su spojeni iz 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 isprži. Da biste testirali ovaj dio kola, ulazni signal treba spojiti na sinusni val, a izmjenu naizmjenične struje treba izvesti od 40 Hz do 80 Hz kako bi se vidjelo filtriranje signala od 60 Hz.

Korak 4: Kreirajte LabVIEW program za izračunavanje 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. Ovi ulazni naponi se 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, detektor vrha se koristi za utvrđivanje kada su podaci veći od tog praga. Ovi podaci zajedno s vremenom između vrhova mogu se koristiti za određivanje brzine otkucaja srca. Ovaj jednostavan proračun precizno će odrediti broj otkucaja srca na ulaznim naponima koje očitava DAQ ploča.

Korak 5: Testiranje

Nakon izgradnje sklopova spremni ste za rad! Prvo, svaki stupanj treba testirati izmjeničnim namotavanjem frekvencija od 0,05 Hz do 200 Hz. Ulazni napon ne smije biti veći od 15 mV od vrha do vrha, tako da signal nije ograničen OP/AMP ograničenjima. Zatim spojite sva strujna kola i ponovno pokrenite kompletnu izmjeničnu struju kako biste bili sigurni da sve radi ispravno. Nakon što ste zadovoljni izlazom vašeg kompletnog kola, vrijeme je da se povežete na njega. Pozitivnu elektrodu postavite na desni zglob, a negativnu na lijevu. Stavite elektrodu za uzemljenje na gležanj. Priključite izlaz cijelog kruga na svoju DAQ ploču i pokrenite program LabVIEW. Vaš EKG signal bi sada trebao biti vidljiv na grafikonu valnog oblika na računaru. Ako nije ili je izobličen, pokušajte smanjiti dobitak kruga na otprilike 10 promjenom otpornika pojačanja u skladu s tim. Ovo bi trebalo omogućiti čitanje signala pomoću programa LabVIEW.