EKG -insamlingskrets: 5 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

ANMÄRKNING: Detta är inte en medicinsk utrustning. Detta är endast för utbildningsändamål med hjälp av simulerade signaler. Om du använder denna krets för riktiga EKG-mätningar, se till att kretsen och krets-till-instrumentanslutningarna använder rätt isoleringsteknik

Den kanske mest utbredda fysiologiska mätningen i dagens vårdindustri är elektrokardiogrammet (EKG/EKG). Det är svårt att gå genom ett sjukhus eller akutmottagning utan att höra den traditionella”pipen” på en pulsmätare eller se EKG -vågformen rulla över skärmen i ett patientrum. Men vad är detta mått som har blivit så förknippat med modern vård?

Elektrokardiogrammet misstas ofta för att registrera hjärtets fysiska aktivitet, men som namnet antyder är det faktiskt en registrering av elektrisk aktivitet, depolarisering och repolarisering av hjärtats muskler. Genom att analysera den registrerade vågformen kan läkare få insikt i beteendet hos hjärtats elektriska system. Några vanliga diagnoser från EKG -data inkluderar: hjärtinfarkt, lungemboli, arytmier och AV -block.

Följande instruktion kommer att beskriva processen och principerna som används för att konstruera en grundläggande elektrisk krets som kan samla in ett EKG med hjälp av enkla ytelektroder som görs på sjukhus.

Steg 1: Designa en instrumentförstärkare

Det första kretselementet som krävs för att spela in EKG -signalen är en instrumentförstärkare. Denna förstärkare har två effekter.

1. Det skapar en elektronisk buffert mellan inspelningselektroderna och resten av kretsen. Detta minskar den nödvändiga strömdragningen från elektroderna till praktiskt taget noll. Tillåter signalinsamling med mycket liten distorsion orsakad av ingångsimpedans.

2. Det förstärker differentiellt den inspelade signalen. Det betyder att alla signaler som är vanliga i båda inspelningselektroderna inte kommer att förstärkas, medan skillnaderna (de viktiga delarna) kommer att vara.

Normalt kommer ytelektrodinspelningar för ett EKG att ligga i milliVolt -intervallet. Därför är det lämpligt att få denna signal till ett område som vi kan arbeta med en förstärkning (K) på 1000 V/V.

De styrande ekvationerna för förstärkaren som illustreras ovan är:

K1 = 1 + 2*R2 / R1, detta är steg 1 -förstärkningen

K2 = - R4/R3, detta är steg 2 -förstärkningen

Observera att helst K1 och K2 bör vara ungefär lika och för att uppnå önskad förstärkning K1 * K2 = 1000

De slutliga värdena som användes i vår krets var….

R1 = 6,5 kOhm

R2 = 100 kOhm

R3 = 3,17 kOhm

R4 = 100 kOhm

Steg 2: Designa ett hackfilter

I den moderna världen är det troligt att insamlingen av EKG kommer att göras nära några andra elektroniska enheter, eller till och med bara i en byggnad som försörjs med elektricitet från lokala kraftledningar. Tyvärr betyder högspänningen och den oscillerande karaktären hos den tillhandahållna effekten att den kommer att producera en stor mängd elektrisk "brus" i praktiskt taget alla ledande material som är nära den. detta inkluderar ledningar och kretselement som används för att konstruera vår EKG -insamlingskrets.

För att bekämpa detta kan alla signaler med en frekvens som är lika med bruset som genereras av lokal strömförsörjning (kallad nätsnurr) helt enkelt filtreras bort och väsentligen tas bort. I USA levererar elnätet 110-120V med en frekvens på 60 Hz. Därför måste vi filtrera bort alla signalkomponenter med en frekvens på 60 Hz. Lyckligtvis har detta gjorts många gånger tidigare och kräver bara design av ett hackfilter (bilden ovan).

Ekvationerna för detta filter är….

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

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

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

Q = w / B

där wc2 är den höga cutoff -frekvensen, w2 den låga cutoff -frekvensen, w cutoff -frekvensen i rad/sek, och Q en kvalitetsfaktor

Observera att C är ett värde som fritt kan väljas. Följande värden som används i vår krets var:

R1 = 1,65 kOhm

R2 = 424,5 kOhm

Q = 8

w = 120 * pi rad/sek

Steg 3: Lågpassfilter

EKG -signaler har en frekvens på cirka 0 - 150 Hz. För att förhindra att mer brus kopplas till signalen från saker med en högre frekvens än detta intervall, implementerades ett andra ordnings lågpassat ButterWorth -filter med en cutoff på 150Hz för att endast tillåta EKG -signalen att passera genom kretsen. Istället för att omedelbart välja ett lättillgängligt kondensatorvärde, liksom de tidigare komponenterna, valdes det första kondensatorvärdet, C2, baserat på formeln nedan. Från det värdet kunde alla andra komponentvärden beräknas och sedan läggas till i kretsen samtidigt som förstärkningen hölls till 1V/V.

C2 ≈ 10/fc uf, där fc är gränsfrekvensen (150 Hz för detta fall).

Sedan kan de återstående värdena beräknas enligt tabellen som ingår i den andra bilden i detta steg.

Slutvärden som tidigare placerades i schemat ovan är:

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22,47 kOhm

R2 = 22,56 kOhm

Steg 4: LabVIEW -förberedelse

Det enda material som krävs för denna del av EKG-samlingen är en Windows-dator utrustad med en 64-bitars kopia av LabVIEW och en National Instruments Signal Conditioning Board () med en enda ingångsmodul. Det funktionella blockdiagrammet inom LabVIEW bör sedan konstrueras på följande sätt. Börja med att öppna ett tomt funktionsblockdiagram.

Sätt i ett DAQ Assistant -block och justera inställningarna till följande:

Mätning: Analog → Spänning

Läge: RSE

Provtagning: Kontinuerlig provtagning

Samlade prover: 2500

Provtagningshastighet: 1000 / sek

Mata ut den insamlade vågformen till en kurva. Beräkna dessutom det maximala värdet för den aktuella vågformsdatan. Multiplicera det maximala värdet för vågen med ett värde som.8 för att skapa en tröskel för toppdetektering, detta värde kan justeras baserat på brusnivån i signalen. Mata in produkten från föregående steg som tröskelvärdet och råspänningsmatrisen som data för funktionen "Peak Detection". Ta sedan "Location" -utgången från toppdetektionsmatrisen och subtrahera de första och andra värdena. Detta representerar skillnaden i indexvärden för de två topparna i den initiala matrisen. Detta kan sedan konverteras till en tidsskillnad genom att dividera värdet med samplingshastigheten, i exempelfallet är detta 1000 /sek. Slutligen, ta inversen av detta värde (som ger Hz) och multiplicera med 60 för att få pulsen i slag per minut BPM. Det sista blockdiagrammet för detta bör likna rubrikbilden för detta steg.

Steg 5: Integrering av hela systemet

Nu när alla komponenter har konstruerats individuellt är det dags att sätta ihop köpcentret. Detta kan göras genom att helt enkelt koppla ut en sektions utgång till ingången för följande segment. Stegen bör vara anslutna i samma ordning som de visas i denna instruktionsbok. För det sista steget, ButterWorth -filtret, bör dess ingång anslutas till en av de två ledningarna på ingångsmodulen på signalkonditioneringskortet. Den andra ledningen från denna modul bör anslutas till kretsarnas gemensamma jord.

För instrumentationsförstärkaren bör dess två ledningar anslutas till en EKG/EKG -elektrod. Detta görs enkelt med hjälp av två krokodilklämmor. Placera sedan en elektrod på varje handled. Se till att alla segment i kretsen är anslutna och att LabVIEW VI körs och att systemet ska mata ut en kurva i diagrammet i LabVIEW -fönstret.

Utmatningen ska se ut som den andra bilden som tillhandahålls i detta steg. Om det inte liknar kan värdena på din krets behöva justeras. Ett vanligt problem är att hackfiltret inte centreras direkt vid 60 Hz och kan vara något till högt/lågt. Detta kan testas genom att skapa en boddiagram för filtret. Helst kommer hackfiltret att ha minst 20 dB dämpning vid 60 Hz. Det kan också vara användbart att kontrollera att din lokala strömförsörjning är 60 Hz. Det är inte ovanligt att vissa områden har 50 Hz växelströmsförsörjning, detta skulle behöva centrera skårfiltret kring detta värde.