Enkel EKG -krets och LabVIEW -pulsprogram: 6 steg

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

Ett elektrokardiogram, eller vidare kallat EKG, är ett extremt kraftfullt diagnostik- och övervakningssystem som används i alla medicinska metoder. EKG används för att observera hjärtats elektriska aktivitet grafiskt för att kontrollera avvikelser i hjärtfrekvens eller elektrisk signalering.

Från en EKG -avläsning kan patienternas hjärtfrekvens bestämmas av tidsavståndet mellan QRS -komplex. Dessutom kan andra medicinska tillstånd detekteras, till exempel en pågående hjärtinfarkt genom en ST -segmenthöjning. Sådana avläsningar kan vara avgörande för att diagnostisera och behandla en patient korrekt. P -vågen visar sammandragning av hjärtatrium, QRS -kurvan är ventrikelsammandragning och T -vågen är hjärts repolarisering. Att veta till och med enkel information som denna kan snabbt diagnostisera patienter för onormal hjärtfunktion.

Ett standard EKG som används i medicinsk praxis har sju elektroder som är placerade i ett milt halvcirkelformat mönster runt hjärtats nedre del. Denna placering av elektroder möjliggör minimalt brus vid inspelning och möjliggör också mer konsekventa mätningar. För vårt syfte med den skapade EKG -kretsen använder vi bara tre elektroder. Den positiva ingångselektroden kommer att placeras på den högra inre handleden, den negativa ingångselektroden kommer att placeras på den vänstra inre handleden och jordelektroden kommer att anslutas till fotleden. Detta gör att avläsningar kan tas över hjärtat med relativ noggrannhet. Med denna placering av elektroder anslutna till en instrumentationsförstärkare, ett lågpassfilter och ett hackfilter bör EKG -vågformer lätt kunna urskiljas som en utsignal från den skapade kretsen.

OBS: 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

Steg 1: Konstruera instrumentförstärkare

För att konstruera en flerstegsinstrument med en förstärkning på 1000 eller 60 dB bör följande ekvation tillämpas.

Förstärkning = (1+2*R1/Rgain)

R1 är lika med alla motstånd som används i instrumentförstärkaren bortsett från förstärkningsmotståndet, vilket i en mening kommer att orsaka att all förstärkning är involverad i förstärkarens första steg. Detta valdes till 50,3 kΩ. För att beräkna förstärkningsmotståndet kopplas detta värde in i ovanstående ekvation.

1000 = (1+2*50300/Rgain)

Rgain = 100,7

Efter att detta värde har beräknats kan instrumentförstärkaren konstrueras som följande krets som visas i detta steg. OP/AMP: erna bör drivas med positiva och negativa 15 volt som visas i kretsschemat. Bypass -kondensatorerna för varje OP/AMP bör placeras nära OP/AMP i serie med strömförsörjningen för att dämpa alla växelsignaler som kommer från strömkällan till marken för att förhindra att OP/AMP: n steker och ytterligare buller som kan bidra till signalen. För att testa kretsarnas faktiska förstärkning bör den positiva elektrodnoden ges en ingångssinusvåg och den negativa elektrodnoden ska anslutas till jord. Detta gör att kretsens förstärkning kan ses exakt med en insignal på mindre än 15 mV topp till topp.

Steg 2: Konstruera andra ordningens lågpassfilter

Ett andra ordnings lågpassfilter användes för att avlägsna brus över frekvensen av intresse för EKG -signalen som var 150 Hz.

K -värdet som används vid beräkningar för andra ordningens lågpassfilter är förstärkningen. Eftersom vi inte vill ha någon förstärkning i vårt filter valde vi ett förstärkningsvärde på 1 vilket betyder att ingångsspänningen kommer att vara lika med utspänningen.

K = 1

För ett andra ordens Butterworth-filter som kommer att användas för denna krets definieras a- och b-koefficienterna nedan. a = 1.414214 b = 1

För det första väljs det andra kondensatorvärdet till en relativt stor kondensator som är lättillgänglig i laboratoriet och den verkliga världen.

C2 = 0,1 F

För att beräkna den första kondensatorn används följande samband mellan den och den andra kondensatorn. K-, a- och b -koefficienterna kopplades till ekvationen för att beräkna vad detta värde bör vara.

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

Eftersom den första kondensatorn beräknas vara mindre än eller lika med 50 nF valdes följande kondensatorvärde.

C1 = 33 nF

För att beräkna det första motståndet som behövs för detta andra ordningens lågpassfilter med en avbrottsfrekvens på 150 Hz löstes följande ekvation med både beräknade kondensatorvärden och koefficienterna K, a och b. R1 = 2/[(gränsfrekvens)*[aC2*sqrt ([(a^2+4b (K-1)) C2^2-4bC1C2])]

R1 = 9478 Ohm

För att beräkna det andra motståndet användes följande ekvation. Avstängningsfrekvensen är igen 150 Hz och b -koefficienten är 1.

R2 = 1/[bC1C2R1 (gränsfrekvens)^2]

R2 = 35,99 kOhm Efter beräkning av ovanstående värden för motstånd och kondensatorer som behövs för ett andra ordnings hackfilter skapades följande krets för att visa det aktiva lågpassfilter som kommer att användas. OP/AMP drivs med positiva och negativa 15 volt som visas i diagrammet. Bypass -kondensatorer är anslutna till strömkällorna så att alla växelsignaler som kommer ut ur källan omdirigeras till marken för att säkerställa att OP/AMP inte blir stekt av denna signal. För att testa detta steg i EKG -kretsen bör ingångssignalnoden vara ansluten till en sinusvåg och ett AC -svep från 1 Hz till 200 Hz bör utföras för att se hur filtret fungerar.

Steg 3: Konstruera Notch Filter

Notfiltret är en extremt viktig del av många kretsar för mätning av lågfrekventa signaler. Vid låga frekvenser är 60 Hz växelström extremt vanligt eftersom det är frekvensen för växelströmmen som går genom byggnader i USA. Det 60 Hz -bruset är obekvämt som det är i mitten av passbandet för EKG, men ett hackfilter kan ta bort specifika frekvenser samtidigt som resten av signalen bevaras. När du utformar detta hackfilter är det mycket viktigt att ha en hög kvalitetsfaktor, Q, för att säkerställa att avstängningen av skärningen är skarp runt intressepunkten. Nedan beskrivs de beräkningar som används för att konstruera ett aktivt hackfilter som kommer att användas i EKG -kretsen.

Först måste frekvensen av intresse, 60 Hz konverteras från Hz till rad/s.

frekvens = 2*pi*frekvens

frekvens = 376,99 rad/sekund

Därefter ska bandbredden för frekvensnedskärningarna beräknas. Dessa värden bestäms på ett sätt som säkerställer att huvudfrekvensen, 60 Hz, är helt avbruten och bara några omgivande frekvenser påverkas något.

Bandbredd = Cutoff2-Cutoff1

Bandbredd = 37.699 Kvalitetsfaktorn måste bestämmas härnäst. Kvalitetsfaktorn avgör hur skarp skåran är och hur smal avstängningen börjar. Detta beräknas med hjälp av bandbredd och intressefrekvens. Q = frekvens/bandbredd

Q = 10

Ett lättillgängligt kondensatorvärde väljs för detta filter. Kondensatorn behöver inte vara stor och definitivt inte vara för liten.

C = 100 nF

För att beräkna det första motståndet som används i detta aktiva hackfilter användes följande förhållande som involverade kvalitetsfaktorn, frekvensen av intresse och den valda kondensatorn.

R1 = 1/[2QC*frekvens]

R1 = 1326,29 Ohm

Det andra motståndet som används i detta filter beräknas med hjälp av följande förhållande.

R2 = 2Q/[frekvens*C]

R2 = 530516 Ohm

Det slutliga motståndet för detta filter beräknas med hjälp av de två tidigare motståndsvärdena. Det förväntas vara mycket likt det första motståndet som beräknats.

R3 = R1*R2/[R1+R2]

R3 = 1323 Ohm

Efter att alla komponentvärden har beräknats med hjälp av ekvationerna som beskrivits ovan, bör följande hackfilter konstrueras för att exakt filtrera bort 60 Hz AC -bruset som kommer att störa EKG -signalen. OP/AMP bör drivas med positiva och negativa 15 volt som visas i kretsen nedan. Bypass -kondensatorer är anslutna från strömkällorna på OP/AMP så att alla växelsignaler som kommer från strömkällan omdirigeras till marken för att säkerställa att OP/AMP inte steker. För att testa denna del av kretsen, insignalen bör anslutas till en sinusvåg och ett AC -svep bör utföras från 40 Hz till 80 Hz för att se filtreringen av 60 Hz -signalen.

Steg 4: Skapa ett LabVIEW -program för att beräkna pulsen

LabVIEW är ett användbart verktyg för att köra instrument och samla in data. För att samla in EKG -data används ett DAQ -kort som läser ingångsspänningar med en samplingshastighet på 1 kHz. Dessa ingångsspänningar matas sedan ut till en ritning som används för att visa EKG -inspelningen. Den data som samlas in går sedan via en maxfinder som matar ut de lästa maxvärdena. Dessa värden gör det möjligt att beräkna en topptröskel till 98% av maxeffekten. Efteråt används en toppdetektor för att bestämma när data är större än tröskeln. Dessa data tillsammans med tiden mellan toppar kan användas för att bestämma hjärtfrekvensen. Denna enkla beräkning bestämmer noggrant hjärtfrekvensen från ingångsspänningar som läses av DAQ -kortet.

Steg 5: Testa

Efter att ha konstruerat dina kretsar är du redo att sätta dem i arbete! Först ska varje steg testas med en AC -svepning av frekvenser från 0,05 Hz till 200 Hz. Ingångsspänningen bör inte vara större än 15 mV topp till topp så att signalen inte spåras av OP/AMP -begränsningarna. Anslut sedan alla kretsar och kör en full AC -svep igen för att se till att allt fungerar korrekt. När du är nöjd med resultatet från din kompletta krets är det dags att ansluta dig till den. Placera den positiva elektroden på din högra handled och den negativa elektroden på din vänstra handled. Sätt markelektroden på fotleden. Anslut utgången från hela kretsen till ditt DAQ -kort och kör LabVIEW -programmet. Din EKG -signal ska nu vara synlig på kurvan på datorn. Om den inte är eller förvrängd, försök att sänka kretsens förstärkning till cirka 10 genom att ändra förstärkningsmotståndet i enlighet därmed. Detta bör göra det möjligt för signalen att läsas av LabVIEW -programmet.