Enkel EKG -krets og LabVIEW hjertefrekvensprogram: 6 trinn

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

Et elektrokardiogram, eller videre referert til som EKG, er et ekstremt kraftig diagnostisk og overvåkingssystem som brukes i all medisinsk praksis. EKG brukes til å observere hjertets elektriske aktivitet grafisk for å se etter abnormiteter i hjertefrekvens eller elektrisk signalering.

Fra en EKG -avlesning kan pasientenes hjertefrekvens bestemmes av tidsavstanden mellom QRS -komplekser. I tillegg kan andre medisinske tilstander detekteres, for eksempel et ventende hjerteinfarkt ved en ST -segmenthøyde. Avlesninger som dette kan være avgjørende for å diagnostisere og behandle en pasient riktig. P -bølgen viser sammentrekningen av hjertets atrium, QRS -kurven er ventrikkelsammentrekningen, og T -bølgen er repolarisasjonen av hjertet. Å kjenne til og med enkel informasjon som denne kan diagnostisere pasienter raskt for unormal hjertefunksjon.

Et standard EKG som brukes i medisinsk praksis har syv elektroder som er plassert i et mildt halvcirkelformet mønster rundt den nedre delen av hjertet. Denne plasseringen av elektroder gir minimal støy ved opptak, og gir også mer konsistente målinger. For vårt formål med den opprettede EKG -kretsen vil vi bare bruke tre elektroder. Den positive inngangselektroden plasseres på høyre indre håndledd, den negative inngangselektroden plasseres på venstre indre håndledd, og jordelektroden kobles til ankelen. Dette vil tillate avlesninger å bli tatt over hjertet med relativ nøyaktighet. Med denne plasseringen av elektroder koblet til en instrumenteringsforsterker, et lavpassfilter og et hakkfilter, bør EKG -bølgeformer lett skilles ut som et utgangssignal fra den opprettede kretsen.

MERK: 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

Trinn 1: Konstruer instrumentforsterker

For å konstruere en flertrinns instrumentering med en forsterkning på 1000 eller 60 dB, bør følgende ligning brukes.

Gevinst = (1+2*R1/Rgain)

R1 er lik alle motstandene som brukes i instrumenteringsforsterkeren, bortsett fra forsterkningsmotstanden, som på en måte vil føre til at all forsterkning er involvert i forsterkerens første trinn. Dette ble valgt til å være 50,3 kΩ. For å beregne forsterkningsmotstanden kobles denne verdien til ligningen ovenfor.

1000 = (1+2*50300/Rgain)

Rgain = 100,7

Etter at denne verdien er beregnet, kan instrumenteringsforsterkeren konstrueres som følgende krets vist i dette trinnet. OP/AMPene bør drives med positive og negative 15 volt som vist i kretsdiagrammet. Bypass -kondensatorene for hver OP/AMP bør plasseres nær OP/AMP i serie med strømforsyningen for å dempe ethvert vekselstrømssignal som kommer fra strømkilden til bakken for å forhindre at OP/AMPene blir stekte og ytterligere støy som kan bidra til signalet. For å teste kretsens faktiske forsterkning, bør den positive elektrodeknuten gis en inngangssinusbølge og den negative elektrodenoden skal kobles til jord. Dette vil gjøre det mulig å se kretsens forsterkning nøyaktig med et inngangssignal på mindre enn 15 mV topp til topp.

Trinn 2: Konstruer 2. ordre lavpassfilter

Et 2. ordens lavpasfilter ble brukt til å fjerne støy over frekvensen av interesse for EKG -signalet som var 150 Hz.

K -verdien som brukes i beregninger for 2. ordens lavpassfilter er forsterkningen. Fordi vi ikke vil ha noen forsterkning i filteret vårt, valgte vi en forsterkningsverdi på 1 som betyr at inngangsspenningen vil være lik utgangsspenningen.

K = 1

For et andreordens Butterworth-filter som skal brukes for denne kretsen, er a- og b-koeffisientene definert nedenfor. a = 1.414214 b = 1

For det første er den andre kondensatorverdien valgt til å være en relativt stor kondensator som er lett tilgjengelig i laboratoriet og den virkelige verden.

C2 = 0,1 F

For å beregne den første kondensatoren brukes følgende forhold mellom den og den andre kondensatoren. K-, a- og b -koeffisientene ble koblet til ligningen for å beregne hva denne verdien skal være.

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

Fordi den første kondensatoren er beregnet til å være mindre enn eller lik 50 nF, ble følgende kondensatorverdi valgt.

C1 = 33 nF

For å beregne den første motstanden som er nødvendig for dette andreordens lavpassfilter med en avbruddsfrekvens på 150 Hz, ble følgende ligning løst ved å bruke både beregnede kondensatorverdier og koeffisientene K, a og b. R1 = 2/[(cutoff-frekvens)*[aC2*sqrt ([(a^2+4b (K-1)) C2^2-4bC1C2])]

R1 = 9478 Ohm

For å beregne den andre motstanden ble følgende ligning brukt. Avbruddsfrekvensen er igjen 150 Hz og b -koeffisienten er 1.

R2 = 1/[bC1C2R1 (cutoff -frekvens)^2]

R2 = 35,99 kOhm Etter å ha beregnet verdiene ovenfor for motstandene og kondensatorene som trengs for et andreordens hakkfilter, ble følgende krets opprettet for å vise det aktive lavpassfilteret som skal brukes. OP/AMP er drevet med positive og negative 15 volt som vist i diagrammet. Bypass -kondensatorer er koblet til strømkildene, slik at ethvert vekselstrømssignal som kommer ut av kilden blir ledet til bakken for å sikre at OP/AMP ikke blir stekt av dette signalet. For å teste dette stadiet av EKG -kretsen, bør inngangssignalnoden være koblet til en sinusbølge og et vekselstrømssvep fra 1 Hz til 200 Hz bør utføres for å se hvordan filteret fungerer.

Trinn 3: Konstruer hakkfilteret

Hakkfilteret er en ekstremt viktig del av mange kretser for måling av lavfrekvente signaler. Ved lave frekvenser er 60 Hz vekselstrøm ekstremt vanlig, da det er frekvensen for vekselstrømmen som går gjennom bygninger i USA. Den 60 Hz -støyen er upraktisk som den er i midten av passbåndet for EKG, men et hakkfilter kan fjerne spesifikke frekvenser samtidig som resten av signalet bevares. Når du designer dette hakkfilteret, er det svært viktig å ha en høy kvalitetsfaktor, Q, for å sikre at avrullingen av kuttet er skarp rundt interessepunktet. Nedenfor beskriver vi beregningene som ble brukt for å konstruere et aktivt hakkfilter som skal brukes i EKG -kretsen.

Først må frekvensen av interesse, 60 Hz konverteres fra Hz til rad/s.

frekvens = 2*pi*frekvens

frekvens = 376,99 rad/sekund

Deretter skal båndbredden til frekvensene kuttes. Disse verdiene bestemmes på en måte som sikrer at hovedfrekvensen av interesse, 60 Hz, blir fullstendig avbrutt og bare noen få omkringliggende frekvenser påvirkes litt.

Båndbredde = Cutoff2-Cutoff1

Båndbredde = 37.699 Kvalitetsfaktoren må bestemmes deretter. Kvalitetsfaktoren bestemmer hvor skarpt hakket er og hvor smalt avskjæringen begynner. Dette beregnes ved hjelp av båndbredden og frekvensen av interesse. Q = frekvens/båndbredde

Q = 10

En lett tilgjengelig kondensatorverdi er valgt for dette filteret. Kondensatoren trenger ikke å være stor og bør definitivt ikke være for liten.

C = 100 nF

For å beregne den første motstanden som ble brukt i dette aktive hakkfilteret, ble det følgende forholdet brukt som involverte kvalitetsfaktoren, frekvensen av interesse og den valgte kondensatoren.

R1 = 1/[2QC*frekvens]

R1 = 1326,29 Ohm

Den andre motstanden som brukes i dette filteret, beregnes ved hjelp av følgende forhold.

R2 = 2Q/[frekvens*C]

R2 = 530516 Ohm

Den endelige motstanden for dette filteret beregnes ved hjelp av de to foregående motstandsverdiene. Det forventes å være veldig likt den første motstanden som ble beregnet.

R3 = R1*R2/[R1+R2]

R3 = 1323 Ohm

Etter at alle komponentverdiene er beregnet ved hjelp av ligningene beskrevet ovenfor, bør det følgende hakkfilteret konstrueres for å nøyaktig filtrere ut 60 Hz AC -støyen som vil forstyrre EKG -signalet. OP/AMP bør drives med positive og negative 15 volt som vist i kretsen nedenfor. Bypass -kondensatorer er koblet til fra strømkildene på OP/AMP slik at ethvert vekselstrømssignal som kommer fra strømkilden blir ledet til bakken for å sikre at OP/AMP ikke blir stekt. For å teste denne delen av kretsen må inngangssignalet bør kobles til en sinusbølge, og et vekselstrømssvep bør utføres fra 40 Hz til 80 Hz for å se filtrering av 60 Hz -signalet.

Trinn 4: Lag et LabVIEW -program for å beregne puls

LabVIEW er et nyttig verktøy for å kjøre instrumenter samt samle inn data. For å samle EKG -data brukes et DAQ -kort som vil lese inngangsspenninger med en samplingshastighet på 1 kHz. Disse inngangsspenningene sendes deretter til et plott som brukes til å vise EKG -opptaket. Dataene som samles inn går deretter gjennom en maksimalfinner som sender ut de maksimale verdiene som er lest. Disse verdiene gjør det mulig å beregne en toppterskel til 98% av maksimaleffekten. Etterpå brukes en toppdetektor for å bestemme når dataene er større enn den terskelen. Disse dataene sammen med tiden mellom toppene kan brukes til å bestemme pulsen. Denne enkle beregningen vil nøyaktig bestemme pulsen fra inngangsspenninger som leses av DAQ -kortet.

Trinn 5: Testing

Etter å ha konstruert kretsene dine er du klar til å sette dem i gang! Først bør hvert trinn testes med en AC -sveiping av frekvenser fra 0,05 Hz til 200 Hz. Inngangsspenningen bør ikke være større enn 15 mV topp til topp, slik at signalet ikke blir rekket av OP/AMP -begrensningene. Deretter kobler du til alle kretsene og kjører en full vekselstrøm feier igjen for å sikre at alt fungerer som det skal. Etter at du er fornøyd med resultatet fra hele kretsen din, er det på tide å koble deg til den. Plasser den positive elektroden på høyre håndledd og den negative elektroden på venstre håndledd. Sett jordelektroden på ankelen. Koble utgangen fra hele kretsen til DAQ -kortet og kjør LabVIEW -programmet. EKG -signalet ditt skal nå være synlig på kurven på grafen på datamaskinen. Hvis det ikke er eller forvrengt, prøv å senke forsterkningen til kretsen til omtrent 10 ved å endre forsterkningsmotstanden tilsvarende. Dette bør tillate signalet å bli lest av LabVIEW -programmet.