EKG -samlingskrets: 5 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:25

MERKNAD: Dette er ikke et medisinsk utstyr. Dette er kun for utdanningsformål ved bruk av simulerte signaler. Hvis du bruker denne kretsen for ekte EKG-målinger, må du kontrollere at kretsen og krets-til-instrument-tilkoblingene bruker riktige isolasjonsteknikker

Den kanskje mest utbredte fysiologiske målingen i dagens helseindustri er elektrokardiogrammet (EKG/EKG). Det er vanskelig å gå gjennom et sykehus eller legevakt uten å høre det tradisjonelle "pipet" på en pulsmåler eller se EKG -bølgeformen rulle over skjermen i pasientens rom. Men hva er denne målingen som har blitt så forbundet med moderne helsevesen?

Elektrokardiogrammet tar ofte feil for å registrere hjertets fysiske aktivitet, men som navnet antyder er det faktisk en registrering av den elektriske aktiviteten, depolarisering og repolarisering av hjertets muskler. Ved å analysere den registrerte bølgeformen, kan leger få innsikt i oppførselen til hjertets elektriske system. Noen vanlige diagnoser fra EKG -data inkluderer: hjerteinfarkt, lungeemboli, arytmier og AV -blokker.

Følgende instrukser vil beskrive prosessen og prinsippene som brukes for å konstruere en grunnleggende elektrisk krets som er i stand til å samle et EKG ved bruk av enkle overflateelektroder slik det gjøres på sykehus.

Trinn 1: Utform en instrumentforsterker

Det første kretselementet som kreves for å registrere EKG -signalet er en instrumenteringsforsterker. Denne forsterkeren har to effekter.

1. Det oppretter en elektronisk buffer mellom opptakselektrodene og resten av kretsen. Dette reduserer den nødvendige strømforbruket fra elektrodene til praktisk talt null. Tillater signalinnsamling med svært liten forvrengning forårsaket av inngangsimpedans.

2. Det forsterker differensielt signalet som er registrert. Det betyr at ethvert signal som er vanlig i begge opptakselektrodene, ikke vil bli forsterket, mens forskjellene (de viktige delene) vil være.

Vanligvis vil overflateelektrodeopptak for et EKG ligge i milliVolt -området. Derfor, for å få dette signalet inn i et område, kan vi jobbe med en forsterkning (K) på 1000 V/V.

De styrende ligningene for forsterkeren illustrert ovenfor er:

K1 = 1 + 2*R2 / R1, dette er trinn 1 -gevinsten

K2 = - R4/R3, dette er trinn 2 -gevinsten

Legg merke til at ideelt sett bør K1 og K2 være omtrent like og for å oppnå ønsket forsterkning K1 * K2 = 1000

De endelige verdiene som ble brukt i kretsen vår var….

R1 = 6,5 kOhm

R2 = 100 kOhm

R3 = 3,17 kOhm

R4 = 100 kOhm

Trinn 2: Design et hakkfilter

Det er sannsynlig i den moderne verden at EKG -innsamlingen vil bli gjort i nærheten av andre elektroniske enheter, eller til og med bare i en bygning som får strøm fra lokale kraftledninger. Dessverre betyr den høye spenningen og den oscillerende naturen til strømmen som tilbys at den vil produsere mye elektrisk "støy" i praktisk talt alt ledende materiale som er i nærheten av den; dette inkluderer ledninger og kretselementer som brukes til å konstruere vår EKG -samlingskrets.

For å bekjempe dette kan ethvert signal med en frekvens som er lik støyen som genereres av lokal strømforsyning (kalt strømnettet) ganske enkelt filtreres ut og i det vesentlige fjernes. I USA leverer strømnettet 110-120V med en frekvens på 60 Hz. Derfor må vi filtrere ut enhver signalkomponent med en frekvens på 60 Hz. Heldigvis har dette blitt gjort mange ganger før og krever bare design av et hakkfilter (bildet ovenfor).

Likningene som regulerer dette filteret er….

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

R3 = (R1 * R2) / (R1 + R2)

Q = m / B

hvor wc2 er den høye cutoff -frekvensen, w2 den lave cutoff -frekvensen, w cutoff -frekvensen i rad/sek, og Q en kvalitetsfaktor

Vær oppmerksom på at C er en verdi som kan velges fritt. Følgende verdier som ble brukt i kretsen vår var:

R1 = 1,65 kOhm

R2 = 424,5 kOhm

Q = 8

w = 120 * pi rad/sek

Trinn 3: Lavpassfilter

EKG -signaler har en frekvens på rundt 0 - 150Hz. For å forhindre mer støy fra å koble seg til signalet fra ting med en høyere frekvens enn dette området, ble et andreordens lavpass ButterWorth -filter med en cutoff på 150Hz implementert for å bare la EKG -signalet passere gjennom kretsen. I stedet for å umiddelbart velge en lett tilgjengelig kondensatorverdi, som de tidligere komponentene, ble den første kondensatorverdien, C2, valgt basert på formelen nedenfor. Fra denne verdien kan alle andre komponentverdier beregnes og deretter legges til kretsen mens forsterkningen holdes igjen til 1V/V.

C2 ≈ 10/fc uf, hvor fc er cutoff -frekvensen (150 Hz for dette tilfellet).

Deretter kan de gjenværende verdiene beregnes som vist i tabellen inkludert som det andre bildet i dette trinnet.

De endelige verdiene som tidligere ble plassert i skjemaet ovenfor er:

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22,47 kOhm

R2 = 22,56 kOhm

Trinn 4: LabVIEW -forberedelse

Det eneste materialet som kreves for denne delen av EKG-samlingen er en Windows-datamaskin utstyrt med en 64-biters kopi av LabVIEW og et National Instruments Signal Conditioning Board () med en enkelt inngangsmodul. Det funksjonelle blokkdiagrammet i LabVIEW bør deretter konstrueres på følgende måte. Begynn med å åpne et tomt funksjonsblokkdiagram.

Sett inn en DAQ Assistant -blokk og juster innstillingene til følgende:

Måling: Analog → Spenning

Modus: RSE

Prøvetaking: Kontinuerlig prøvetaking

Prøver samlet: 2500

Prøvetakingshastighet: 1000 / sek

Legg ut den innsamlede bølgeformen til en kurveformgraf. I tillegg beregner du maksimalverdien for gjeldende bølgeformdata. Multipliser maksimal verdi for bølgen med en verdi som.8 for å lage en terskel for toppdeteksjon, denne verdien kan justeres basert på støynivået i signalet. Mat inn produktet fra det forrige trinnet som terskel og råt spenningsarray som dataene for “Peak Detection” -funksjonen. Deretter tar du "Location" -utgangen fra toppdeteksjonsarrayen og trekker fra den første og andre verdien. Dette representerer forskjellen i indeksverdier for de to toppene i den opprinnelige matrisen. Dette kan deretter konverteres til en tidsforskjell ved å dividere verdien med samplingshastigheten, for eksempelet er dette 1000 /sek. Til slutt, ta inversen av denne verdien (gir Hz) og multipliser med 60 for å få pulsen i slag per minutt BPM. Det endelige blokkdiagrammet for dette skal ligne på topptekstbildet for dette trinnet.

Trinn 5: Integrering av hele systemet

Nå som alle komponentene er konstruert individuelt, er det på tide å sette sammen kjøpesenteret. Dette kan gjøres ved ganske enkelt å koble utgangen til en seksjon til inngangen til det følgende segmentet. Etappene bør være koblet i samme rekkefølge som de vises i denne instruksjonsboken. For det siste trinnet, ButterWorth -filteret, bør inngangen festes til en av de to ledningene på inngangsmodulen til signalkondisjoneringskortet. Den andre ledningen fra denne modulen bør festes til kretsens felles jord.

For instrumenteringsforsterkeren bør de to ledningene hver være festet til en EKG/EKG -elektrode. Dette gjøres enkelt med to krokodiller. Deretter plasserer du en elektrode på hvert håndledd. Sørg for at alle segmentene i kretsen er koblet til og at LabVIEW VI kjører, og at systemet skal sende ut en kurve i grafen i LabVIEW -vinduet.

Utgangen skal se ut som det andre bildet i dette trinnet. Hvis den ikke er lik, må verdiene til kretsen din må justeres. Et vanlig problem er at hakkfilteret ikke vil være sentrert direkte ved 60 Hz og kan være litt til høyt/lavt. Dette kan testes ved å opprette et budplott for filteret. Ideelt sett vil hakkfilteret ha minst 20 dB demping ved 60 Hz. Det kan også være nyttig å sjekke at din lokale strøm er levert på 60 Hz. Det er ikke uvanlig at noen områder har 50 Hz vekselstrømforsyninger, dette ville nødvendiggjøre at sentralfilteret sentreres rundt denne verdien.