Egyszerű EKG áramkör és LabVIEW pulzusmérő program: 6 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:43

Az elektrokardiogram vagy más néven EKG egy rendkívül hatékony diagnosztikai és felügyeleti rendszer, amelyet minden orvosi gyakorlatban használnak. Az EKG -k segítségével grafikusan megfigyelhető a szív elektromos aktivitása, hogy ellenőrizze a szívfrekvencia vagy az elektromos jelzés rendellenességeit.

Az EKG leolvasása alapján a betegek pulzusszámát a QRS komplexek közötti időközökkel lehet meghatározni. Ezenkívül más egészségügyi állapotok is kimutathatók, például függőben lévő szívroham az ST szegmens emelkedése miatt. Az ilyen értékek döntő fontosságúak lehetnek a beteg megfelelő diagnosztizálásában és kezelésében. A P hullám a szív pitvarának összehúzódását mutatja, a QRS görbe a kamrai összehúzódást, a T hullám pedig a szív repolarizációját. Az ilyen egyszerű információk ismeretében is gyorsan diagnosztizálni lehet a betegek kóros szívműködését.

Az orvosi gyakorlatban használt standard EKG hét elektródával rendelkezik, amelyek enyhe félkör alakban vannak elhelyezve a szív alsó régiója körül. Ez az elektródák elhelyezése minimális zajt biztosít a rögzítés során, és következetesebb méréseket is lehetővé tesz. A létrehozott EKG áramkörhöz csak három elektródát használunk. A pozitív bemeneti elektródát a jobb belső csuklóra, a negatív bemeneti elektródát a bal belső csuklóra kell helyezni, és a földelő elektródát a bokához kell csatlakoztatni. Ez lehetővé teszi, hogy viszonylag pontosan meg lehessen mérni a szíveket. Ezzel a műszer -erősítőhöz, aluláteresztő szűrőhöz és bevágásos szűrőhöz csatlakoztatott elektródák elhelyezésével az EKG -hullámformákat könnyen meg lehet különböztetni kimenő jelként a létrehozott áramkörtől.

MEGJEGYZÉS: Ez nem orvosi eszköz. Ez csak oktatási célokat szolgál, szimulált jelek használatával. Ha ezt az áramkört valós EKG-mérésekhez használja, győződjön meg arról, hogy az áramkör és az áramkör-műszer kapcsolatok megfelelő szigetelési technikákat alkalmaznak

1. lépés: Készítse el a műszeres erősítőt

1000 vagy 60 dB erősítésű többlépcsős műszerek létrehozásához a következő egyenletet kell alkalmazni.

Nyereség = (1+2*R1/Rgain)

R1 megegyezik a műszererősítőben használt összes ellenállással, kivéve az erősítési ellenállást, ami bizonyos értelemben az összes erősítést az erősítő első szakaszába vonja be. Ezt 50,3 kΩ -ra választották. A nyereségellenállás kiszámításához ezt az értéket a fenti egyenlethez kell csatlakoztatni.

1000 = (1+2*50300/Rgain)

Rgain = 100,7

Miután ezt az értéket kiszámították, a műszeres erősítő a következő áramkör szerint állítható össze. Az OP/AMP -ket pozitív és negatív 15 voltos feszültséggel kell táplálni, az áramköri rajz szerint. Az egyes OP/AMP -k bypass kondenzátorait sorba kell helyezni az OP/AMP közelében a tápegységgel, hogy csillapítsa az áramforrásból a földbe érkező váltakozó jeleket, hogy megakadályozza az OP/AMP -k megsülését és az esetleges további zajt a jelre. Ezenkívül az áramkörök tényleges erősítésének teszteléséhez a pozitív elektróda csomópontnak bemeneti szinuszhullámot kell adni, és a negatív elektródacsomót a földhöz kell csatlakoztatni. Ez lehetővé teszi az áramkör erősítésének pontos láthatóságát, ha a bemeneti jel kisebb, mint 15 mV.

2. lépés: Készítse el a 2. rendű aluláteresztő szűrőt

Másodrendű aluláteresztő szűrőt használtunk az EKG jel 150 Hz -es frekvenciája feletti zaj eltávolítására.

A másodrendű aluláteresztő szűrő számításánál használt K érték a nyereség. Mivel nem akarunk nyereséget szűrőnkben, 1 erősítési értéket választottunk, ami azt jelenti, hogy a bemeneti feszültség megegyezik a kimeneti feszültséggel.

K = 1

Az ebben az áramkörben használt másodrendű Butterworth szűrő esetében az a és b együtthatókat az alábbiakban határozzuk meg. a = 1,414214 b = 1

Először is, a második kondenzátor értéket viszonylag nagy kondenzátornak választják, amely könnyen elérhető a laboratóriumban és a való világban.

C2 = 0,1 F

Az első kondenzátor kiszámításához a következő összefüggéseket használják közte és a második kondenzátor között. A K, a és b együtthatókat beillesztették az egyenletbe, hogy kiszámítsák, mi legyen ez az érték.

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

Mivel az első kondenzátor kisebb vagy egyenlő, mint 50 nF, a következő kondenzátor értéket választottuk.

C1 = 33 nF

Ahhoz, hogy kiszámítsuk az első ellenállást, amely ehhez a másodrendű aluláteresztő szűrőhöz szükséges, 150 Hz -es levágási frekvenciával, a következő egyenletet oldottuk meg, mind a számított kondenzátorértékek, mind a K, a és b együtthatók felhasználásával. R1 = 2/[(határfrekvencia)*[aC2*sqrt ([(a^2+4b (K-1)) C2^2-4bC1C2]

R1 = 9478 Ohm

A második ellenállás kiszámításához a következő egyenletet használtuk. A határfrekvencia ismét 150 Hz, a b együttható pedig 1.

R2 = 1/[bC1C2R1 (határfrekvencia)^2]

R2 = 35,99 kOhm A másodrendű bemetszésű szűrőhöz szükséges ellenállások és kondenzátorok fenti értékeinek kiszámítása után a következő áramkört hoztuk létre az aktív aluláteresztő szűrő használatához. Az OP/AMP áramellátása pozitív és negatív 15 volt, mint az ábrán látható. A bypass kondenzátorok az áramforrásokhoz vannak csatlakoztatva, így a forrásból érkező AC jel a földre kerül, hogy az OP/AMP ne süljön meg e jel hatására. Az EKG áramkör ezen szakaszának teszteléséhez a bemeneti jelcsomópontot szinuszhullámhoz kell csatlakoztatni, és 1 Hz és 200 Hz közötti váltakozó áramú sweep -et kell végezni a szűrő működésének megtekintéséhez.

3. lépés: Készítse el a hornyos szűrőt

A bevágásos szűrő rendkívül fontos része számos áramkörnek az alacsony frekvenciájú jelek mérésére. Alacsony frekvenciákon a 60 Hz -es váltakozó zaj rendkívül gyakori, mivel az Egyesült Államokban az épületeken áthaladó váltakozó áram frekvenciája. Ez a 60 Hz -es zaj kényelmetlen, mivel az EKG átviteli sávjának közepén van, de egy bevágásos szűrő képes eltávolítani bizonyos frekvenciákat, miközben megőrzi a jel többi részét. Ennek a bemetszéses szűrőnek a tervezésekor nagyon fontos, hogy magas minőségi tényezővel, Q-val rendelkezzünk annak biztosítása érdekében, hogy a határérték gördülése éles legyen az érdeklődési pont körül. Az alábbiakban részletezzük azokat a számításokat, amelyeket az EKG áramkörben használt aktív bevágásos szűrő létrehozásához használtak.

Először a 60 Hz -es frekvenciát kell Hz -ről rad/s -ra alakítani.

frekvencia = 2*pi*frekvencia

frekvencia = 376,99 rad/másodperc

Ezután ki kell számítani a csökkentett frekvenciák sávszélességét. Ezeket az értékeket oly módon határozzák meg, hogy a fő érdeklődési frekvencia, a 60 Hz teljesen le legyen vágva, és csak néhány környező frekvencia legyen kismértékben befolyásolva.

Sávszélesség = Cutoff2-Cutoff1

Sávszélesség = 37.699 Ezután a minőségi tényezőt kell meghatározni. A minőségi tényező határozza meg, hogy a bevágás milyen éles és mennyire keskeny a vágás. Ezt a sávszélesség és az érdeklődési gyakoriság alapján számítják ki. Q = frekvencia/sávszélesség

Q = 10

Ehhez a szűrőhöz könnyen hozzáférhető kondenzátor értéket választanak. A kondenzátornak nem kell nagynak lennie, és nem szabad túl kicsinek lennie.

C = 100 nF

Ebben az aktív bemetszésű szűrőben használt első ellenállás kiszámításához a következő összefüggést használták, amely magában foglalja a minőségi tényezőt, az érdeklődési gyakoriságot és a kiválasztott kondenzátort.

R1 = 1/[2QC*frekvencia]

R1 = 1326,29 Ohm

A szűrőben használt második ellenállást a következő összefüggéssel számítják ki.

R2 = 2Q/[frekvencia*C]

R2 = 530516 Ohm

Ennek a szűrőnek a végső ellenállását az előző két ellenállásérték alapján számítják ki. Várhatóan nagyon hasonló lesz az első számított ellenálláshoz.

R3 = R1*R2/[R1+R2]

R3 = 1323 Ohm

Miután az összes komponensértéket kiszámította a fent leírt egyenletek segítségével, a következő bemetszéses szűrőt kell kialakítani, hogy pontosan kiszűrje a 60 Hz -es AC zajt, amely megzavarja az EKG jelet. Az OP/AMP áramellátását pozitív és negatív 15 voltos feszültséggel kell ellátni, az alábbi áramkör szerint. A bypass kondenzátorokat az OP/AMP áramforrásaihoz csatlakoztatják, így az áramforrásból érkező AC jel a földre kerül, hogy az OP/AMP ne süljön meg. Az áramkör ezen részének teszteléséhez a bemeneti jel szinuszhullámhoz kell csatlakoztatni, és 40 Hz és 80 Hz között váltakozó áramú söprést kell végezni, hogy a 60 Hz jel szűrése látható legyen.

4. lépés: Hozzon létre egy LabVIEW programot a pulzusszám kiszámításához

A LabVIEW hasznos eszköz a műszerek futtatásához és az adatok gyűjtéséhez. Az EKG adatok gyűjtéséhez DAQ kártyát használnak, amely 1 kHz mintavételi frekvencián leolvassa a bemeneti feszültségeket. Ezeket a bemeneti feszültségeket ezután az EKG -felvétel megjelenítésére szolgáló grafikonra adják ki. Az összegyűjtött adatok ezután egy max keresőn mennek keresztül, amely a maximális olvasott értékeket adja ki. Ezek az értékek lehetővé teszik a csúcsküszöb kiszámítását a maximális teljesítmény 98% -ánál. Ezt követően egy csúcsérzékelőt használnak annak meghatározására, hogy az adatok mikor vannak nagyobbak a küszöbértéknél. Ezek az adatok a csúcsok közötti idővel együtt használhatók a pulzusszám meghatározására. Ez az egyszerű számítás pontosan meghatározza a pulzusszámot a DAQ kártya által leolvasott bemeneti feszültségekből.

5. lépés: Tesztelés

Az áramkörök felépítése után készen áll a munkára! Először is minden egyes fokozatot 0,05 Hz és 200 Hz közötti frekvenciaváltóval kell tesztelni. A bemeneti feszültség nem haladhatja meg a 15 mV csúcsot a csúcsig, hogy a jelet ne korlátozzák az OP/AMP korlátozások. Ezután csatlakoztassa az összes áramkört, és futtasson ismét egy teljes körű váltakozó áramú söprést, hogy megbizonyosodjon arról, hogy minden megfelelően működik. Miután elégedett a teljes áramkör kimenetével, ideje csatlakozni hozzá. Helyezze a pozitív elektródát a jobb csuklójára, a negatív elektródát pedig a bal csuklójára. Tegye a földelő elektródát a bokájára. Csatlakoztassa a teljes áramkör kimenetét a DAQ kártyához, és futtassa a LabVIEW programot. Az EKG -jelnek most láthatónak kell lennie a számítógép hullámforma grafikonján. Ha nem, vagy torzuljon, próbálja meg csökkenteni az áramkör erősítését körülbelül 10 -re úgy, hogy ennek megfelelően módosítja az erősítési ellenállást. Ennek lehetővé kell tennie, hogy a jelet a LabVIEW program le tudja olvasni.