Enkelt automatiserat EKG (1 förstärkare, 2 filter): 7 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:42

Ett elektrokardiogram (EKG) mäter och visar hjärtats elektriska aktivitet med hjälp av olika elektroder placerade på huden. Ett EKG kan skapas med hjälp av en instrumentationsförstärkare, hackfilter och lågpassfilter. Slutligen kan den filtrerade och förstärkta signalen visualiseras med LabView -programvara. LabView använder också signalens inkommande frekvens för att beräkna det mänskliga subjektets hjärtslag. Instrumentförstärkaren som byggdes lyckades med att ta kroppens lilla signal och förstärka den till 1 V, så att den kunde ses på datorn med LabView. Hak- och lågpassfiltren lyckades med att minska 60 Hz brus från strömförsörjningar och störande signaler över 350 Hz. Hjärtat slog i vila till 75 slag per minut och 137 slag per minut efter fem minuters intensiv träning. EKG som byggdes kunde mäta hjärtslag vid realistiska värden och visualisera de olika komponenterna i en typisk EKG -vågform. I framtiden kan detta EKG förbättras genom att ändra passiva värden i hackfilter för att minska mer brus runt 60 Hz.

Steg 1: Skapa instrumentförstärkaren

Du behöver: LTSpice (eller annan kretsvisualiseringsprogramvara)

Instrumentförstärkaren skapades för att öka signalens storlek så att den blir synlig och möjliggör analys av vågformen.

Genom att använda R1 = 3,3k ohm, R2 = 33k ohm, R3 = 1k ohm, R4 = 48 ohm uppnås en förstärkning på X. Förstärkning = -R4/R3 (1+R2/R1) = -47k/1k (1- (33k/3,3k)) = -1008

Eftersom i den sista opförstärkaren signalen går in i inverteringsstiftet, är förstärkningen 1008. Denna design skapades i LTSpice och simulerades sedan med ett AC -svep från 1 till 1 kHz med 100 poäng per decennium för en sinusvågsinmatning med AC -amplitud på 1V.

Vi kontrollerade att vår vinst var liknande avsedd vinst. Från grafen fann vi Gain = 10^(60/20) = 1000 vilket är tillräckligt nära vår avsedda vinst på 1008.

Steg 2: Skapa hackfilter

Du behöver: LTSpice (eller annan kretsvisualiseringsprogramvara)

Ett hackfilter är en specifik typ av lågpassfilter följt av ett högpassfilter för att eliminera en specifik frekvens. Ett hackfilter används för att eliminera bullret från alla elektroniska enheter som är närvarande vid 60Hz.

De passiva värdena beräknades: C =, 1 uF (värdet valdes) 2C =, 2 uF (används.22 uF kondensator)

AQ-faktor 8 kommer att användas: R1 = 1/(2*Q*2*pi*f*C) = 1/(2*8*2*3,14159*60*.1E-6) = 1,66 kOhm (1,8 kOhm användes) 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 används) Spänningsindelning: Rf = R1 * R2 / (R1 + R2) = 1,8 kOhm * 423 kOhm / (1,8 kOhm + 423 kOhm) = 1,79 kOhm (1,8 kOhm användes)

Denna filterdesign har en förstärkning på 1, vilket innebär att det inte finns några förstärkande egenskaper.

Anslutning av de passiva värdena och simulering på LTSpice med en AC -svepning och en insignal på 0,1 V sinusvåg med en AC -frekvens på 1 kHz resulterar i den bifogade budplot.

Vid en frekvens på cirka 60 Hz når signalen sin lägsta spänning. Filtret lyckas ta bort 60 Hz brus till en omärklig spänning på 0,01 V och ger en förstärkning på 1, eftersom ingångsspänningen är.1 V.

Steg 3: Skapa lågpassfiltret

Du behöver: LTSpice (eller annan kretsvisualiseringsprogramvara)

Ett lågpassfilter skapades för att ta bort signalerna över tröskelvärdet som skulle innehålla EKG -signalen. Tröskelvärdet var mellan 0 - 350Hz.

Kondensatorns värde valdes till.1 uF. Det nödvändiga motståndet beräknas för en hög gränsfrekvens på 335 Hz: C = 0,1 uF R = 1/(2pi*0,1*(10^-6)*335 Hz) = 4,75 kOhm (4,7 kOhm användes)

Anslutning av de passiva värdena och simulering på LTSpice med en AC -svepning och en insignal på 0,1 V sinusvåg med en AC -frekvens på 1 kHz resulterar i den bifogade budplot.

Steg 4: Skapa kretsen på en brödbräda

Du behöver: motstånd med olika värden, kondensatorer med olika värden, driftförstärkare UA 471, bygelkablar, en brödbräda, anslutningskablar, en strömförsörjning eller 9 V batteri

Nu när du har simulerat din krets är det dags att bygga den på en brödbräda. Om du inte har de exakta värdena listade, använd det du har eller kombinera motstånd och kondensatorer för att göra de värden du behöver. Kom ihåg att driva brödskivan med ett 9 volts batteri eller likström. Varje op -förstärkare behöver en positiv och negativ spänningskälla.

Steg 5: Konfigurera LabView -miljö

Du behöver: LabView -programvara, en dator

För att automatisera visningen av vågformen och beräkningen av hjärtfrekvensen användes LabView. LabView är ett program som används för att visualisera och analysera data. EKG -kretsens utsignal är ingången för LabView. Data matas in, graferas och analyseras baserat på blockdiagrammet som utformats nedan.

Först tar DAQ Assistant in den analoga signalen från kretsen. Provtagningsinstruktionerna finns här. Samplingshastigheten var 1k prover per sekund och intervallet var 3k ms, därför är tidsintervallet i vågformsgrafen 3 sekunder. Waveform -grafen mottog data från DAQ Assistant och plottar den sedan i fönstret på frontpanelen. Den nedre delen av blockdiagrammet omfattar hjärtfrekvensberäkningen. Först mäts max och minimum för vågen. Sedan används dessa amplitudmätningar för att bestämma om toppar uppstår som definieras som 95% av den maximala amplituden, och i så fall registreras tidpunkten. När topparna väl har detekterats lagras amplituden och tidpunkten i matriser. Sedan konverteras antalet toppar/ sekunder till minuter och visas på frontpanelen. Frontpanelen visar vågformen och slag per minut.

Kretsen var ansluten till LabVIEW via en National Instruments ADC som visas i figuren ovan. Funktionsgeneratorn producerade den simulerade EKG -signalen matades in i ADC som överförde data till LabView för grafer och analys. Dessutom, när BPM beräknades i LabVIEW, användes den numeriska indikatorn för att skriva ut det värdet på applikationens frontpanel längs vågformsdiagrammet, som visas i figur 2.

Steg 6: Testkrets med funktionsgenerator

Du behöver: krets på brödbräda, anslutningskablar, en strömförsörjning eller 9 V batteri, National Instruments ADC, LabView Software, en dator

För att testa LabView -instrumenteringen matades ett simulerat EKG in i kretsen och utgången från kretsen var ansluten till LabView via National Instruments ADC. Först matades en signal på 20mVpp vid 1Hz till kretsen för att simulera vilande hjärtslag. LabView -frontpanelen visas i bilden nedan. P-, T-, U -våg- och QRS -komplexet är alla synliga. BMP är korrekt beräknad och visas i den numeriska indikatorn. Det finns en förstärkning på cirka 8 V/0,02 V = 400 genom kretsen som liknar det vi såg när kretsen var ansluten till oscilloskopet. En bild av resultatet i LabView bifogas. För att sedan simulera en förhöjd hjärtslag till exempel under träning, matades en signal på 20mVpp vid 2Hz till kretsen. Det var en jämförbar vinst med testet vid vilopuls. Under vågformen ses alla samma delar som tidigare bara i snabbare takt. Pulsen beräknas och visas i den numeriska indikatorn och vi ser den förväntade 120 BPM.

Steg 7: Testkrets med hjälp av mänskligt ämne

Du behöver: krets på brödbräda, anslutningskablar, en strömförsörjning eller 9 V batteri, National Instruments ADC, LabView Software, en dator, elektroder (minst tre), ett mänskligt ämne

Slutligen testade kretsen med ett mänskligt ämne EKG leder inmatning i kretsen och utsignalen från kretsen som går in i LabView. Tre elektroder placerades på ett ämne för att få en riktig signal. Elektroder placerades på både handleden och höger fotled. Höger handled var den positiva ingången, vänster handled var negativ och fotleden slipades. Återigen matades data in i LabView för bearbetning. Elektrodkonfigurationen bifogas som en bild.

Först visades och analyserades ämnets vilande EKG -signal. I vila hade patienten en puls på ungefär 75 slag per minut. Ämnet deltog sedan i intensiv fysisk aktivitet i 5 minuter. Motivet återkopplades och den höjda signalen spelades in. Pulsen var ungefär 137 slag per minut efter aktivitet. Denna signal var mindre och hade mer brus. Elektroder placerades på både handleden och höger fotled. Höger handled var den positiva ingången, vänster handled var negativ och fotleden slipades. Återigen matades data in i LabView för bearbetning.

En genomsnittlig person har en EKG -signal på cirka 1 mV. Vår förväntade förstärkning var cirka 1000, därför skulle vi förvänta oss en utspänning på 1V. Från inspelningen i vila sett i bild XX är amplituden för QRS-komplexet ungefär (-0,7)-(-1,6) = 0,9 V. Detta ger ett fel på 10%. (1-0,9)/1*100 = 10% Vilopulsfrekvensen för en standardmänniska är 60, den uppmätta var cirka 75, detta ger | 60-75 |*100/60 = 25% fel. Den ökade hjärtfrekvensen för en standardmänniska är 120, den uppmätta var cirka 137, detta ger | 120-137 |*100/120 = 15% fel.

grattis! Du har nu byggt ditt eget automatiska EKG.