EKG -monitor: 8 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.

Elektrokardiografi är processen för registrering av elektriska signaler som genereras av en patients hjärta för att få information om hjärtats aktivitet. För att den elektriska signalen ska fångas upp effektivt måste den filtreras och förstärkas genom elektriska komponenter. Informationen måste också presenteras för en användare på ett tydligt och effektivt sätt.

Följande instruktioner beskriver hur man bygger förstärknings-/filtreringskretsarna samt ett användargränssnitt. Det handlar om att bygga en instrumentationsförstärkare, ett hackfilter, ett lågpassfilter och ett användargränssnitt i LabVIEW.

Det första steget i processen är att definiera kraven för den analoga kretsen. Efter att ha definierat kraven fattas beslut om vilka primära komponenter som ska utgöra kretsen. Senare behandlas mindre detaljer om egenskaperna hos dessa huvudkomponenter, och slutligen avslutas kretsdesignfasen genom att definiera de exakta värdena för varje motstånd och kondensator i kretsen.

Steg 1: Definiera krav och primära komponenter

Kretsens jobb är att förstärka EKG -signalen som genereras av patienten och filtrera bort allt tillhörande brus. Råsignalen består av en komplex vågform med en maximal amplitud på ungefär 2 mV och frekvenskomponenter inom intervallet 100 Hz till 250 Hz i QRS -komplexet. Detta är signalen som ska förstärkas och spelas in.

Utöver den signalen av intresse produceras brus från flera källor. Strömförsörjningar genererar 60 Hz brus och patientrörelse producerar artefakter i intervallet mindre än 1 Hz. Mer högfrekvent brus introduceras från bakgrundsstrålning och telekommunikationssignaler som mobiltelefoner och trådlöst internet. Denna samling av brus är signalen som ska filtreras.

Kretsen måste först förstärka råsignalen. Det måste sedan filtrera bort 60 Hz brus och allt annat brus över 160 Hz. Att filtrera lågfrekvent brus i samband med patientrörelse anses onödigt, eftersom patienten helt enkelt kan instrueras att hålla still.

Eftersom signalen mäts som skillnaden i potential mellan två elektroder som finns på patienten, uppnås förstärkning genom användning av en instrumentationsförstärkare. En enkel differensförstärkare kan också användas, men instrumentförstärkare fungerar ofta bättre när det gäller brusavstötning och toleranser. 60 Hz filtrering uppnås genom användning av ett hackfilter, och resten av högfrekvensfiltreringen uppnås genom användning av ett lågpassfilter. Dessa tre element utgör hela den analoga kretsen.

Genom att känna till de tre elementen i kretsen kan mindre detaljer definieras angående förstärkningar, avstängningsfrekvenser och bandbredder hos komponenterna.

Instrumenteringsförstärkaren kommer att vara inställd på en förstärkning på 670. Denna är tillräckligt stor för att spela in en liten EKG-signal, men också tillräckligt liten för att säkerställa att op-förstärkarna beter sig inom sitt linjära intervall när de testar kretsen med signaler nära 20 mV, som är minimum på vissa funktionsgeneratorer.

Hakfiltret är centrerat på 60 Hz.

Lågpassfiltret har en gränsfrekvens på 160 Hz. Detta bör fortfarande fånga majoriteten av QRS-komplexet och avvisa högfrekvent bakgrundsbrus.

Steg 2: Instrumentförstärkare

Schemat ovan beskriver instrumenteringsförstärkaren.

Förstärkaren har två steg. Den första etappen består av de två op-förstärkarna till vänster på bilderna ovan, och den andra etappen består av den enda op-amp till höger. Förstärkningen av var och en av dessa kan moduleras som man vill, men vi har beslutat att bygga den med en förstärkning på 670 V/V. Detta kan uppnås med följande motståndsvärden:

R1: 100 ohm

R2: 3300 ohm

R3: 100 ohm

R4: 1000 ohm

Steg 3: Hakfilter

Schemat ovan beskriver hackfilteret. Detta är ett aktivt filter, så vi kan välja att få det att förstärka eller dämpa en signal om vi vill, men vi har redan uppnått all nödvändig förstärkning, så vi väljer en förstärkning på en för denna op-amp. Mittfrekvensen ska vara 60 Hz och kvalitetsfaktorn ska vara 8. Detta kan uppnås med följande komponentvärden:

R1: 503 Ohm

R2: 128612 Ohm

R3: 503 Ohm

C: 0,33 mikroFarader

Steg 4: Lågpassfilter

Återigen är detta ett aktivt filter, så vi kan välja vilken förstärkning vi vill, men vi kommer att välja 1. Detta uppnås genom att göra R4 ovan till en kortslutning och R3 till en öppen krets. Resten, som med de andra komponenterna, uppnås genom att använda våra tidigare definierade krav i kombination med ekvationerna som styr kretsarna för att erhålla individuella elementvärden:

R1: 12056 Ohm

R2: 19873,6 Ohm

C1: 0,047 microFarads

C2: 0,1 microFarads

Steg 5: Design Full Circuit Virtually

Att designa en krets i en virtuell kretsbyggnadsprogramvara som PSPICE kan vara till stor hjälp för att fånga fel och stelna planer innan vi går vidare till verklig analog kretstillverkning. Vid denna tidpunkt kan man fånga AC -svep i kretsen för att säkerställa att allt beter sig enligt plan.

Steg 6: Bygg hela kretsen

Kretsen kan byggas på vilket sätt du vill, men en brödbräda valdes för detta fall.

Montering på en brödbräda rekommenderas eftersom det är lättare än lödning, men lödning skulle ge mer hållbarhet. Att placera en 0,1 microFarad bypass -kondensator till jord parallellt med strömkällan rekommenderas också, eftersom detta hjälper till att eliminera oönskade avvikelser från konstant effekt.

Steg 7: LabVIEW användargränssnitt

LabVIEW -användargränssnittet är ett sätt att konvertera från analoga signaler till visuella och numeriska representationer av EKG -signalen som är enkla för en användare att tolka. Ett DAQ -kort används för att konvertera signalen från analog till digital, och data importeras till LabVIEW.

Programvaran är ett objektbaserat program som hjälper till med databehandling och skapande av gränssnitt. Data representeras först visuellt av grafen, och sedan utförs en viss signalbehandling för att bestämma hjärtslagets frekvens så att den kan visas bredvid grafen.

För att bestämma pulsfrekvensen måste man upptäcka hjärtslag. Detta kan uppnås med Lab VIEWs toppdetekteringsobjekt. Objektet matar ut indexen för toppar i den mottagna datamängden, som sedan kan användas i beräkningar för att bestämma tiden som går mellan hjärtslag.

Eftersom LabVIEW -detaljer skulle vara en helt annan instruerbar, lämnar vi detaljerna till en annan källa. Programmets exakta funktion kan ses i blockschemat som presenteras ovan.

Steg 8: LabVIEW Slutanvändargränssnitt

Det slutliga användargränssnittet visar en förstärkt, filtrerad, konverterad och bearbetad signal tillsammans med hjärtfrekvensavläsning i slag per minut