Enkel EKG -opptakskrets og LabVIEW pulsmåler: 5 trinn

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

Dette er ikke en medisinsk enhet. 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

En av de mest grunnleggende aspektene ved moderne helsevesen, er evnen til å fange en hjertebølge ved hjelp av et EKG eller et elektrokardiogram. Denne teknikken bruker overflateelektroder til å måle de forskjellige elektriske mønstrene som sendes ut fra hjertet, slik at utgangen kan brukes som et diagnostisk verktøy for å diagnostisere hjerte- og lungesykdommer som forskjellige former for takykardi, grenblokk og hypertrofi. For å diagnostisere disse forholdene sammenlignes utgangsbølgeformen med et normalt EKG -signal.

For å lage et system som kan oppnå EKG -bølgeformen, må signalet først forsterkes og deretter filtreres på riktig måte for å fjerne støy. For å gjøre dette kan en tre -trinns krets bygges ved hjelp av OP -forsterkere.

Denne instruksen vil gi den informasjonen som er nødvendig for å designe og deretter bygge en enkel krets som er i stand til å registrere et EKG -signal ved hjelp av overflateelektroder, og deretter filtrere det signalet for videre behandling og analyse. I tillegg vil denne instruksen skissere en teknikk som brukes til å analysere signalet for å lage en grafisk fremstilling av kretsutgangen, samt en metode for å beregne hjertefrekvensen fra EKG -bølgeformkretsutgangen.

Merk: Når du designer hvert trinn, må du utføre vekselstrømssvep både eksperimentelt og gjennom simuleringer for å sikre ønsket kretsadferd.

Trinn 1: Design og konstruer instrumentforsterkeren

Det første trinnet i denne EKG -kretsen er en instrumenteringsforsterker, som består av tre OP -forsterkere. De to første OP -forsterkerne er bufrede innganger, som deretter mates inn i en tredje OP -forsterker som fungerer som en differensialforsterker. Signalene fra kroppen må buffres, ellers vil utgangen minske siden kroppen ikke kan gi mye strøm. Differensialforsterkeren tar forskjellen mellom de to inngangskildene for å gi en målbar potensialforskjell, samtidig som den avbryter den vanlige støyen. Dette stadiet har også en gevinst på 1000, som forsterker den typiske mV til en mer lesbar spenning.

Kretsforsterkningen på 1000 for instrumenteringsforsterkeren beregnes ut fra de viste ligningene. Trinn 1 forsterkning av instrumenteringsforsterkeren beregnes av (2), og trinn 2 forsterkning av instrumenteringsforsterkeren beregnes med (3). K1 og K2 ble beregnet slik at de ikke skilte seg fra hverandre med mer enn en verdi på 15.

For en gevinst på 1000 kan K1 settes til 40 og K2 settes til 25. Motstandsverdiene kan alle beregnes, men denne spesielle instrumenteringsforsterkeren brukte motstandsverdiene nedenfor:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

Trinn 2: Design og konstruer hakkfilteret

Det neste trinnet er et hakkfilter for å fjerne 60 Hz -signalet som kommer fra stikkontakten.

I hakkfilteret beregnes motstandsverdien til R1 av (4), verdien av R2 med (5) og verdien av R3 med (6). Kvalitetsfaktoren til kretsen, Q, er satt til 8 fordi det gir en rimelig feilmargin mens den er realistisk nøyaktig. Q -verdien kan beregnes med (7). Den siste styrende ligningen for hakkfilteret brukes til å beregne båndbredden, og er beskrevet av (8). I tillegg til kvalitetsfaktoren 8, hadde hakkfilteret andre designspesifikasjoner til stede. Dette filteret er designet for å ha en forsterkning på 1, slik at det ikke ville endre signalet, mens det fjerner 60 Hz -signalet.

I henhold til disse ligningene er R1 = 11,0524 kΩ, R2 = 2,829 MΩ, R3 = 11,009 kΩ og C1 = 15 nF

Trinn 3: Design og konstruer 2. bestillings Butterworth lavpassfilter

Det siste trinnet er et lavpassfilter for å fjerne alle signaler som kan oppstå over den høyeste frekvenskomponenten i en EKG-bølge, for eksempel WiFi-støy og andre omgivelsessignaler som kan distrahere fra signalet av interesse. -3dB -punktet for dette stadiet bør være rundt eller nær 150 Hz, siden standardområdet for signaler som er tilstede i et EKG -bølgeområde fra 0,05 Hz til 150 Hz.

Ved utforming av lavpass-andreordens Butterworth-filter er kretsen igjen satt til å ha en forsterkning på 1, noe som muliggjorde en mer enkel kretsdesign. Før du foretar ytterligere beregninger, er det viktig å merke seg at ønsket avbruddsfrekvens for lavpassfilteret er satt til 150 Hz. Det er lettest å begynne med å beregne verdien av kondensator 2, C2, da andre ligninger er avhengige av denne verdien. C2 kan beregnes med (9). Ut fra å beregne C2, kan C1 beregnes med (10). I tilfellet med dette lavpassfilteret er koeffisientene a og b definert der a = 1.414214 og b = 1. Motstandsverdien til R1 beregnes med (11), og motstandsverdien til R2 beregnes med (12).

Følgende verdier ble brukt:

R1 = 13,842kΩ

R2 = 54,36 kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

Trinn 4: Sett opp LabVIEW -programmet som brukes til datainnsamling og analyse

Deretter kan dataprogrammet LabView brukes til å lage en oppgave som vil lage en grafisk fremstilling av et hjerteslag fra et EKG -signal, og beregne pulsen fra det samme signalet. LabView -programmet oppnår dette ved først å godta en analog inngang fra et DAQ -kort, som også fungerer som en analog til digital omformer. Dette digitale signalet blir deretter både ytterligere analysert og plottet, der plottet viser den grafiske representasjonen av signalet som legges inn i DAQ -kortet. Signalbølgeformen analyseres ved å ta 80% av maksverdiene for det digitale signalet som blir akseptert, og bruker deretter en toppdetektorfunksjon for å oppdage disse toppene i signalet. Samtidig tar programmet bølgeformen og beregner tidsforskjellen mellom bølgeformens topper. Toppdeteksjonen er koblet med tilhørende verdier på enten 1 eller 0, hvor 1 representerer en topp for å lage en indeks for toppens plassering, og denne indeksen blir deretter brukt i forbindelse med tidsforskjellen mellom topper for matematisk å beregne pulsen i slag per minutt (BPM). Blokkediagrammet som ble brukt i LabView -programmet, vises.

Trinn 5: Full montering

Når du har konstruert alle kretsene og LabVIEW -programmet og sørget for at alt fungerer som det skal, er du klar til å ta opp et EKG -signal. Bildet er en mulig skjematisk oversikt over hele kretssystemet.

Koble den positive elektroden til høyre håndledd og en av inngangene med sirkulert instrumenteringsforsterker, og den negative elektroden til venstre håndledd og den andre instrumenteringsforsterkerinngangen som vist på bildet. Rekkefølgen for elektrodeinngang spiller ingen rolle. Legg til slutt en jordelektrode på ankelen, og koble til bakken i kretsen din. Gratulerer, du har fullført alle trinnene som er nødvendige for å registrere og EKG -signal.