Enkel EKG -inspelningskrets och LabVIEW pulsmätare: 5 steg

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

"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-instrument-anslutningarna använder korrekta isoleringstekniker."

En av de mest grundläggande aspekterna av modern vård är förmågan att fånga en hjärtvåg med hjälp av ett EKG eller ett elektrokardiogram. Denna teknik använder ytelektroder för att mäta de olika elektriska mönstren som släpps ut från hjärtat, så att utsignalen kan användas som ett diagnostiskt verktyg för att diagnostisera hjärt- och lungtillstånd, såsom olika former av takykardi, grenblock och hypertrofi. För att diagnostisera dessa tillstånd jämförs utmatningsvågformen med en normal EKG -signal.

För att skapa ett system som kan erhålla EKG -vågformen måste signalen först förstärkas och sedan filtreras på lämpligt sätt för att avlägsna brus. För att göra detta kan en trestegskrets byggas med OP -förstärkare.

Denna instruktionsbok ger den information som är nödvändig för att utforma och sedan bygga en enkel krets som kan spela in en EKG -signal med hjälp av ytelektroder och sedan filtrera den signalen för vidare bearbetning och analys. Dessutom kommer denna instruktion att beskriva en teknik som används för att analysera den signalen för att skapa en grafisk representation av kretsutgången, samt en metod för att beräkna hjärtfrekvensen från EKG -vågformskretsutgången.

Obs! När du utformar varje steg, se till att utföra AC -svepningar både experimentellt och genom simuleringar för att säkerställa önskat kretsbeteende.

Steg 1: Designa och konstruera instrumentförstärkaren

Det första steget i denna EKG -krets är en instrumentförstärkare, som består av tre OP -förstärkare. De två första OP -förstärkarna är buffrade ingångar, som sedan matas in i en tredje OP -förstärkare som fungerar som en differentialförstärkare. Signalerna från kroppen måste buffras, annars kommer utmatningen att minska eftersom kroppen inte kan ge mycket ström. Differentialförstärkaren tar skillnaden mellan de två ingångskällorna för att ge en mätbar potentialskillnad, samtidigt som det vanliga bruset avbryts. Detta steg har också en förstärkning på 1000, vilket förstärker det typiska mV till en mer läsbar spänning.

Kretsförstärkningen på 1000 för instrumentförstärkaren beräknas med de ekvationer som visas. Steg 1 förstärkningen för instrumentförstärkaren beräknas med (2), och steg 2 förstärkningen för instrumentförstärkaren beräknas med (3). K1 och K2 beräknades så att de inte skilde sig från varandra med mer än ett värde på 15.

För en förstärkning på 1000 kan K1 ställas in på 40 och K2 kan sättas till 25. Motståndsvärdena kan alla beräknas, men den här speciella instrumentförstärkaren använde motståndsvärdena nedan:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

Steg 2: Designa och konstruera hackfilter

Nästa steg är ett hackfilter för att ta bort 60 Hz -signalen som kommer från eluttaget.

I hackfilter beräknas motståndsvärdet för R1 med (4), värdet på R2 med (5) och värdet på R3 med (6). Kvalitetsfaktorn för kretsen, Q, är inställd på 8 eftersom det ger en rimlig felmarginal samtidigt som den är realistiskt korrekt. Q -värdet kan beräknas med (7). Den sista styrande ekvationen för hackfilteret används för att beräkna bandbredden och beskrivs av (8). Förutom kvalitetsfaktorn 8 hade hackfiltret andra konstruktionsspecifikationer. Detta filter är utformat för att ha en förstärkning på 1 så att det inte skulle förändra signalen medan det tar bort 60 Hz -signalen.

Enligt dessa ekvationer är R1 = 11,0524 kΩ, R2 = 2,829 MΩ, R3 = 11,009 kΩ och C1 = 15 nF

Steg 3: Designa och konstruera det andra ordern Butterworth lågpassfilter

Det sista steget är ett lågpassfilter för att ta bort alla signaler som kan inträffa över den högsta frekvenskomponenten i en EKG-våg, såsom WiFi-brus, och andra omgivande signaler som kan distrahera från signalen av intresse. -3dB -punkten för detta steg bör vara runt eller nära 150 Hz, eftersom standardintervallet för signaler som finns i ett EKG -vågintervall från 0,05 Hz till 150 Hz.

Vid utformningen av lågpass-andra ordningens Butterworth-filter ställs kretsen igen till en förstärkning på 1, vilket möjliggjorde en enklare kretsdesign. Innan du gör några ytterligare beräkningar är det viktigt att notera att den önskade avstängningsfrekvensen för lågpassfiltret är inställd på 150 Hz. Det är lättast att börja med att beräkna värdet på kondensatorn 2, C2, eftersom andra ekvationer beror på detta värde. C2 kan beräknas med (9). Utgående från beräkning av C2 kan C1 beräknas med (10). I fallet med detta lågpassfilter definieras koefficienterna a och b där a = 1.414214 och b = 1. Motståndsvärdet för R1 beräknas med (11) och motståndsvärdet för R2 beräknas med (12).

Följande värden användes:

R1 = 13,842kΩ

R2 = 54,36 kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

Steg 4: Konfigurera LabVIEW -programmet som används för datainsamling och analys

Därefter kan datorprogrammet LabView användas för att skapa en uppgift som skapar en grafisk representation av ett hjärtslag från en EKG -signal och beräknar hjärtfrekvensen från samma signal. LabView -programmet åstadkommer detta genom att först acceptera en analog ingång från ett DAQ -kort, som också fungerar som en analog till digital omvandlare. Denna digitala signal analyseras och plottas sedan vidare, där diagrammet visar den grafiska representationen av signalen som matas in i DAQ -kortet. Signalvågformen analyseras genom att ta 80% av maxvärdena för den digitala signalen som accepteras och använder sedan en toppdetektorfunktion för att detektera dessa toppar i signalen. Samtidigt tar programmet vågformen och beräknar tidsskillnaden mellan vågformens toppar. Toppdetekteringen är kopplad till medföljande värden på antingen 1 eller 0, där 1 representerar en topp för att skapa ett index för topparnas placering, och detta index används sedan i samband med tidsskillnaden mellan toppar för att matematiskt beräkna hjärtfrekvensen i slag per minut (BPM). Blockdiagrammet som användes i LabView -programmet visas.

Steg 5: Hel montering

När du har konstruerat alla dina kretsar och LabVIEW -program och säkerställt att allt fungerar som det ska är du redo att spela in en EKG -signal. Bilden är en möjlig schematisk bild av helkretssystemet.

Anslut den positiva elektroden till din högra handled och en av de inringade instrumentförstärkarens ingångar, och den negativa elektroden till din vänstra handled och den andra instrumentförstärkarens ingång enligt bilden. Ordningen för elektrodinmatning spelar ingen roll. Slutligen, placera en jordelektrod på din fotled och anslut till marken i din krets. Grattis, du har slutfört alla steg som krävs för att spela in och EKG -signal.