Enkelt automatisert EKG (1 forsterker, 2 filtre): 7 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:22

Et elektrokardiogram (EKG) måler og viser hjertets elektriske aktivitet ved hjelp av forskjellige elektroder plassert på huden. Et EKG kan opprettes ved hjelp av en instrumenteringsforsterker, hakkfilter og lavpassfilter. Til slutt kan det filtrerte og forsterkede signalet visualiseres ved hjelp av LabView -programvare. LabView bruker også signalets innkommende frekvens til å beregne hjerterytmen til det menneskelige subjektet. Instrumentforsterkeren som ble bygget, lyktes med å ta kroppens lille signal og forsterke det til 1 V, slik at det kunne sees på datamaskinen ved hjelp av LabView. Hakk- og lavpassfilterene lyktes med å redusere 60 Hz støy fra strømforsyninger og forstyrrende signaler over 350 Hz. Hjerteslaget i hvile ble målt til 75 slag i minuttet og 137 slag i minuttet etter fem minutters intens trening. EKG bygget kunne måle hjerteslag ved realistiske verdier og visualisere de forskjellige komponentene i en typisk EKG -bølgeform. I fremtiden kan dette EKG forbedres ved å endre passive verdier i hakkfilteret for å redusere mer støy rundt 60 Hz.

Trinn 1: Lag instrumentasjonsforsterkeren

Du trenger: LTSpice (eller annen programvare for kretsvisualisering)

Instrumenteringsforsterkeren ble opprettet for å øke størrelsen på signalet, slik at det vil være synlig og tillate analyse av bølgeformen.

Ved å bruke R1 = 3,3k ohm, R2 = 33k ohm, R3 = 1k ohm, R4 = 48 ohm oppnås en forsterkning på X. Gain = -R4/R3 (1+R2/R1) = -47k/1k (1- (33k/3.3k)) = -1008

Fordi signalet i den endelige forsterkeren går inn i inverteringsnålen, er forsterkningen 1008. Dette designet ble opprettet i LTSpice og deretter simulert med et vekselstrømssvep fra 1 til 1 kHz med 100 poeng per tiår for en sinusbølgeinngang med vekselstrømamplitude på 1V.

Vi sjekket at gevinsten vår var tilsvarende tiltenkt gevinst. Fra grafen fant vi Gain = 10^(60/20) = 1000 som er tilstrekkelig nær vår tiltenkte gevinst på 1008.

Trinn 2: Lag hakkfilteret

Du trenger: LTSpice (eller annen programvare for kretsvisualisering)

Et hakkfilter er en spesifikk type lavpassfilter etterfulgt av et høypassfilter for å eliminere en bestemt frekvens. Et hakkfilter brukes til å eliminere støyen fra alle elektroniske enheter som er tilstede ved 60Hz.

De passive verdiene ble beregnet: C =.1 uF (verdien ble valgt) 2C =, 2 uF (brukt.22 uF kondensator)

AQ-faktor på 8 vil bli brukt: R1 = 1/(2*Q*2*pi*f*C) = 1/(2*8*2*3,14159*60*.1E-6) = 1,66 kOhm (1,8 kOhm ble brukt) R2 = 2Q/(2*pi*f*C) = (2*8)/(60 Hz*2*3.14159*.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm var brukt) Spenningsinndeling: Rf = R1 * R2 / (R1 + R2) = 1,8 kOhm * 423 kOhm / (1,8 kOhm + 423 kOhm) = 1,79 kOhm (1,8 kOhm ble brukt)

Denne filterutformingen har en forsterkning på 1, noe som betyr at det ikke er noen forsterkende egenskaper.

Å koble til de passive verdiene og simulere på LTSpice med en AC Sweep og et inngangssignal på 0,1 V sinusbølge med en AC -frekvens på 1 kHz resulterer i det vedlagte bodeplottet.

Med en frekvens på rundt 60 Hz når signalet sin laveste spenning. Filteret lykkes med å fjerne 60 Hz støy til en umerkelig spenning på 0,01 V og gi en forsterkning på 1, siden inngangsspenningen er.1 V.

Trinn 3: Lag lavpassfilteret

Du trenger: LTSpice (eller annen programvare for kretsvisualisering)

Et lavpasfilter ble opprettet for å fjerne signalene over terskelen av interesse som ville inneholde EKG -signalet. Interesseterskelen var mellom 0 - 350Hz.

Kondensatorverdien ble valgt til å være.1 uF. Den nødvendige motstanden beregnes for en høy cutoff-frekvens på 335 Hz: C = 0,1 uF R = 1/(2pi*0,1*(10^-6)*335 Hz) = 4,75 kOhm (4,7 kOhm ble brukt)

Å koble til de passive verdiene og simulere på LTSpice med en AC Sweep og et inngangssignal på 0,1 V sinusbølge med en AC -frekvens på 1 kHz resulterer i det vedlagte bodeplottet.

Trinn 4: Lag kretsen på et brødbrett

Du trenger: motstander med forskjellige verdier, kondensatorer med forskjellige verdier, UA 471 driftsforsterkere, startkabler, et brødbrett, tilkoblingskabler, en strømforsyning eller 9 V batteri

Nå som du har simulert kretsen din, er det på tide å bygge den på et brødbrett. Hvis du ikke har de eksakte verdiene oppført, kan du bruke det du har, eller kombinere motstander og kondensatorer for å lage verdiene du trenger. Husk å slå på brødbrettet med et 9 volts batteri eller likestrøm. Hver forsterker trenger en positiv og negativ spenningskilde.

Trinn 5: Konfigurer LabView -miljø

Du trenger: LabView -programvare, en datamaskin

For å automatisere visningen av bølgeformen og beregningen av pulsen ble LabView benyttet. LabView er et program som brukes til å visualisere og analysere data. Utgangen til EKG -kretsen er inngangen til LabView. Dataene legges inn, graferes og analyseres basert på blokkdiagrammet som er designet nedenfor.

Først tar DAQ Assistant inn det analoge signalet fra kretsen. Prøvetakinginstruksjonene er satt opp her. Samplingshastigheten var 1k prøver per sekund, og intervallet var 3k ms, derfor er tidsintervallet som vises i kurven i kurven 3 sekunder. Waveform Graph mottok data fra DAQ Assistant og plotter dem deretter i frontpanelvinduet. Den nedre delen av blokkdiagrammet omfatter pulsberegningen. Først måles maksimum og minimum for bølgen. Deretter brukes disse amplitudemålingene for å bestemme om det oppstår topper som er definert som 95% av maksimal amplitude, og i så fall blir tidspunktet registrert. Når toppene er oppdaget, lagres amplituden og tidspunktet i matriser. Deretter konverteres antall topper/ sekunder til minutter og vises på frontpanelet. Frontpanelet viser bølgeform og slag per minutt.

Kretsen ble koblet til LabVIEW gjennom en National Instruments ADC som vist på figuren ovenfor. Funksjonsgeneratoren som produserte det simulerte EKG -signalet ble lagt inn i ADC som overførte dataene til LabView for grafer og analyser. I tillegg, når BPM ble beregnet i LabVIEW, ble den numeriske indikatoren brukt til å skrive ut den verdien på applikasjonens frontpanel langs bølgeformgrafen, som vist i figur 2.

Trinn 6: Testkrets ved hjelp av funksjonsgenerator

Du trenger: krets på brødbrett, tilkoblingskabler, en strømforsyning eller 9 V batteri, National Instruments ADC, LabView Software, en datamaskin

For å teste LabView -instrumenteringen ble det simulert EKG til kretsen og utgangen fra kretsen ble koblet til LabView via National Instruments ADC. Først ble et signal på 20mVpp ved 1Hz lagt inn i kretsen for å simulere hvilende hjerteslag. LabView -frontpanelet er vist på bildet nedenfor. P, T, U -bølgen og QRS -komplekset er alle synlige. BMP er riktig beregnet og vises i den numeriske indikatoren. Det er en forsterkning på ca 8 V/0,02 V = 400 gjennom kretsen som ligner på det vi så da kretsen ble festet til oscilloskopet. Et bilde av resultatet i LabView er vedlagt. For å simulere et forhøyet hjerteslag, for eksempel under trening, ble det sendt et signal på 20mVpp ved 2Hz til kretsen. Det var en sammenlignbar gevinst for testen ved hvilepuls. Under bølgeformen sees det å ha alle de samme delene som før, bare med en raskere hastighet. Pulsen beregnes og vises i den numeriske indikatoren, og vi ser den forventede 120 BPM.

Trinn 7: Testkrets ved bruk av menneskelig emne

Du trenger: krets på brødbrett, tilkoblingskabler, en strømforsyning eller 9 V batteri, National Instruments ADC, LabView Software, en datamaskin, elektroder (minst tre), et menneske

Til slutt testet kretsen med et menneskelig emne EKG som leder inngang til kretsen og utgangen til kretsen som går inn i LabView. Tre elektroder ble plassert på et motiv for å få et ekte signal. Det ble plassert elektroder på både håndledd og høyre ankel. Høyre håndledd var den positive inngangen, venstre håndledd var negativt og ankelen ble slipt. Dataene ble igjen lagt inn i LabView for behandling. Elektrodekonfigurasjonen er vedlagt som et bilde.

Først ble motivets hvilende EKG -signal vist og analysert. I hvile hadde personen en puls på omtrent 75 slag i minuttet. Motivet deltok deretter i intens fysisk aktivitet i 5 minutter. Motivet ble koblet til igjen og det hevede signalet ble registrert. Pulsen var omtrent 137 slag per minutt etter aktivitet. Dette signalet var mindre og hadde mer støy. Det ble plassert elektroder på både håndledd og høyre ankel. Høyre håndledd var den positive inngangen, venstre håndledd var negativt og ankelen ble slipt. Dataene ble igjen lagt inn i LabView for behandling.

En gjennomsnittlig person har et EKG -signal på omtrent 1mV. Vår forventede gevinst var omtrent 1000, derfor ville vi forvente en utgangsspenning på 1V. Fra opptaket i hvile sett på bilde XX, er amplituden til QRS-komplekset omtrent (-0,7)-(-1,6) = 0,9 V. Dette gir en 10% feil. (1-0,9)/1*100 = 10% Hvilepulsen til et standard menneske er 60, målt var omtrent 75, dette gir | 60-75 |*100/60 = 25% feil. Den økte pulsen til et standard menneske er 120, målt var omtrent 137, dette gir | 120-137 |*100/120 = 15% feil.

Gratulerer! Du har nå bygget ditt eget automatiserte EKG.