Eenvoudige EKG -stroombaan en LabVIEW -hartklopprogram: 6 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:27

'N Elektrokardiogram, of verder 'n EKG genoem, is 'n uiters kragtige diagnostiese en moniteringstelsel wat in alle mediese praktyke gebruik word. EKG's word gebruik om die elektriese aktiwiteit van die hart grafies waar te neem om na afwykings in hartklop of elektriese sein te kyk.

Uit 'n EKG -lesing kan die hartklop van pasiënte bepaal word deur die tydsafstand tussen QRS -komplekse. Boonop kan ander mediese toestande opgespoor word, soos 'n hangende hartaanval deur 'n ST -segmenthoogte. Sulke voorlesings kan van kardinale belang wees vir die diagnose en behandeling van 'n pasiënt. Die P -golf toon die sametrekking van die atrium van die hart, die QRS -kromme is die ventrikulêre sametrekking en die T -golf is die repolarisasie van die hart. Deur selfs eenvoudige inligting soos hierdie te ken, kan pasiënte vinnig gediagnoseer word vir abnormale hartfunksie.

'N Standaard EKG wat in die mediese praktyk gebruik word, het sewe elektrodes wat in 'n ligte halfsirkelvormige patroon rondom die onderste deel van die hart geplaas is. Hierdie plasing van elektrodes sorg vir minimale geraas tydens opname en maak ook meer konsekwente metings moontlik. Vir ons doel van die geskepte EKG -stroombaan, gebruik ons slegs drie elektrodes. Die positiewe insetelektrode word op die regterbinne pols geplaas, die negatiewe insetelektrode op die linker binne pols en die grondelektrode sal met die enkel verbind word. Hierdeur kan metings met relatiewe akkuraatheid oor die hart geneem word. Met hierdie plasing van elektrodes wat gekoppel is aan 'n instrumentasieversterker, 'n laagdeurlaatfilter en 'n kerffilter, moet EKG -golfvorms maklik onderskeibaar wees as 'n uitsetsignaal van die geskepte stroombaan.

LET WEL: dit is nie 'n mediese toestel nie. Dit is slegs vir opvoedkundige doeleindes met behulp van gesimuleerde seine. As u hierdie kring vir werklike EKG-metings gebruik, moet u seker maak dat die stroombaan en die kring-tot-instrumentverbindings die regte isolasie tegnieke gebruik

Stap 1: Bou instrumentasieversterker

Die volgende vergelyking moet toegepas word om 'n meertraps instrumentasie met 'n wins van 1000 of 60 dB te bou.

Wins = (1+2*R1/Rgain)

R1 is gelyk aan al die weerstande wat in die instrumentasieversterker gebruik word, afgesien van die versterkingsweerstand, wat in 'n sekere sin sal veroorsaak dat al die wins betrokke is by die eerste fase van die versterker. Dit is gekies om 50,3 kΩ te wees. Om die versterkingsweerstand te bereken, word hierdie waarde in die bogenoemde vergelyking ingeprop.

1000 = (1+2*50300/Rgain)

Rgain = 100,7

Nadat hierdie waarde bereken is, kan die instrumentasieversterker as die volgende stroombaan in hierdie stap opgestel word. Die OP/AMP's moet aangedryf word met positiewe en negatiewe 15 volt soos in die stroombaan -diagram getoon. Die bypass -kondensators vir elke OP/AMP moet in serie naby die OP/AMP geplaas word met die kragtoevoer om enige wisselstroomsein van die kragbron na die grond te demp om te verhoed dat die OP/AMP's gebraai word en addisionele geraas wat kan bydra na die sein. Om die werklike versterking van die stroombane te toets, moet die positiewe elektrodeknooppunt 'n ingangssinusgolf kry en die negatiewe elektrodeknoop moet met die aarde verbind word. Hierdeur kan die versterking van die stroombaan akkuraat gesien word met 'n insetsein van minder as 15 mV piek tot piek.

Stap 2: Bou die 2de -orde -laagpasfilter

'N Tweede orde laagdoorlaatfilter is gebruik om geraas te verwyder bo die frekwensie van die EKG -sein van 150 Hz.

Die K -waarde wat gebruik word in berekeninge vir die tweede orde laagdoorlaatfilter is die versterking. Omdat ons geen wins in ons filter wil hê nie, het ons 'n versterkingswaarde van 1 gekies, wat beteken dat die ingangsspanning gelyk is aan die uitsetspanning.

K = 1

Vir 'n tweede-orde Butterworth-filter wat vir hierdie stroombaan gebruik sal word, word die a- en b-koëffisiënte hieronder gedefinieer. a = 1.414214 b = 1

Eerstens word die tweede kapasitorwaarde gekies as 'n relatief groot kapasitor wat geredelik beskikbaar is in die laboratorium en die werklike wêreld.

C2 = 0,1 F

Om die eerste kapasitor te bereken, word die volgende verwantskappe tussen dit en die tweede kapasitor gebruik. Die K-, a- en b -koëffisiënte is in die vergelyking ingeprop om te bereken wat hierdie waarde moet wees.

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

Omdat die eerste kapasitor bereken word om minder as of gelyk aan 50 nF te wees, is die volgende kapasitorwaarde gekies.

C1 = 33 nF

Om die eerste weerstand wat nodig is vir hierdie tweede orde laagdoorlaatfilter met 'n afsnyfrekwensie van 150 Hz te bereken, is die volgende vergelyking opgelos deur gebruik te maak van beide berekende kapasitorwaardes en die koëffisiënte K, a en b. R1 = 2/[(afsnyfrekwensie)*[aC2*sqrt ([(a^2+4b (K-1)) C2^2-4bC1C2])]

R1 = 9478 Ohm

Om die tweede weerstand te bereken, is die volgende vergelyking gebruik. Die afsnyfrekwensie is weer 150 Hz en die b -koëffisiënt is 1.

R2 = 1/[bC1C2R1 (afsnyfrekwensie)^2]

R2 = 35,99 kOhm Na die berekening van bogenoemde waardes vir die weerstande en kapasitors wat nodig is vir 'n tweede-orde kerffilter, is die volgende stroombaan geskep om die aktiewe laagdeurlaatfilter wat gebruik sal word, aan te toon. Die OP/AMP word aangedryf met positiewe en negatiewe 15 volt soos in die diagram getoon. Omseilkapasitors word aan die kragbronne gekoppel, sodat enige wisselsignaal wat uit die bron kom, na die aarde herlei word om te verseker dat die OP/AMP nie deur hierdie sein gebraai word nie. Om hierdie fase van die EKG -stroombaan te toets, moet die ingangseinknoop aan 'n sinusgolf gekoppel word en 'n wisselstroom -sweep van 1 Hz tot 200 Hz moet uitgevoer word om te sien hoe die filter werk.

Stap 3: Bou die kerffilter

Die kerffilter is 'n uiters belangrike deel van baie stroombane om lae frekwensie seine te meet. By lae frekwensies kom 60 Hz wisselstroomgeluid uiters algemeen voor, aangesien dit die frekwensie van die wisselstroom is wat deur geboue in die Verenigde State loop. Die 60 Hz -geraas is ongerieflik soos in die middel van die pasband vir die EKG, maar 'n kerffilter kan spesifieke frekwensies verwyder terwyl die res van die sein behoue bly. By die ontwerp van hierdie kerffilter is dit baie belangrik om 'n hoë kwaliteitsfaktor, Q, te hê om te verseker dat die afsny van die afsny skerp is rondom die punt van belang. Hieronder vind u die berekeninge wat gebruik word om 'n aktiewe kerffilter te bou wat in die EKG -kring gebruik sal word.

Eerstens moet die frekwensie van belang, 60 Hz omgeskakel word van Hz na rad/s.

frekwensie = 2*pi*frekwensie

frekwensie = 376,99 rad/sekonde

Vervolgens moet die bandwydte van die afsny van frekwensies bereken word. Hierdie waardes word op 'n manier bepaal wat verseker dat die hooffrekwensie, 60 Hz, heeltemal afgesny word en slegs 'n paar omliggende frekwensies effens beïnvloed word.

Bandwydte = Cutoff2-Cutoff1

Bandwydte = 37.699 Die kwaliteitsfaktor moet vervolgens bepaal word. Die kwaliteitsfaktor bepaal hoe skerp die kerf is en hoe nou die afsny begin. Dit word bereken met behulp van die bandwydte en die frekwensie van rente. Q = frekwensie/bandwydte

Q = 10

'N Geredelik beskikbare kapasitorwaarde word vir hierdie filter gekies. Die kondensator hoef nie groot te wees nie en moet beslis nie te klein wees nie.

C = 100 nF

Om die eerste weerstand wat in hierdie aktiewe kerffilter gebruik is, te bereken, is die volgende verband gebruik met betrekking tot die kwaliteitsfaktor, die frekwensie van belangstelling en die gekose kapasitor.

R1 = 1/[2QC*frekwensie]

R1 = 1326,29 Ohm

Die tweede weerstand wat in hierdie filter gebruik word, word bereken deur die volgende verband te gebruik.

R2 = 2Q/[frekwensie*C]

R2 = 530516 Ohm

Die finale weerstand vir hierdie filter word bereken met behulp van die vorige twee weerstandswaardes. Dit sal na verwagting baie soortgelyk wees aan die eerste weerstand wat bereken is.

R3 = R1*R2/[R1+R2]

R3 = 1323 Ohm

Nadat al die komponentwaardes bereken is met behulp van die vergelykings hierbo beskryf, moet die volgende kerffilter opgestel word om die 60 Hz WS -geraas wat die EKG -sein sal versteur, akkuraat uit te filter. Die OP/AMP moet aangedryf word met positiewe en negatiewe 15 volt, soos in die stroombaan hieronder getoon. Omseilkondensators word van die kragbronne op die OP/AMP gekoppel, sodat enige wisselsignaal wat van die kragbron af kom, na die grond gelei word om te verseker dat die OP/AMP nie gebraai word nie. moet aan 'n sinusgolf gekoppel word, en 'n wisselstroom -sweep moet van 40 Hz tot 80 Hz uitgevoer word om die filter van die 60 Hz sein te sien.

Stap 4: Skep 'n LabVIEW -program om die hartklop te bereken

LabVIEW is 'n nuttige hulpmiddel vir die bestuur van instrumente sowel as om data te versamel. Om EKG -data te versamel, word 'n DAQ -bord gebruik wat die insetspanning met 'n bemonsteringssnelheid van 1 kHz sal lees. Hierdie ingangsspannings word dan na 'n grafiek gestuur wat gebruik word om die EKG -opname te vertoon. Die data wat ingesamel word, gaan dan deur 'n maksimum finder wat die maksimum geleesde waardes uitvoer. Met hierdie waardes kan 'n piekdrempel bereken word op 98% van die maksimum uitset. Daarna word 'n piekdetektor gebruik om te bepaal wanneer die data groter is as die drempel. Hierdie data saam met die tyd tussen pieke kan gebruik word om die hartklop te bepaal. Hierdie eenvoudige berekening sal die hartklop akkuraat bepaal uit die insetspanning wat deur die DAQ -bord gelees word.

Stap 5: Toets

Nadat u u kringe opgestel het, is u gereed om dit aan die werk te sit! Eerstens moet elke fase getoets word met 'n AC -sweep van frekwensies van 0,05 Hz tot 200 Hz. Die ingangsspanning moet hoogstens 15 mV piek tot piek wees, sodat die sein nie deur die OP/AMP -beperkings gerel word nie. Koppel dan al die stroombane en voer weer 'n volledige AC -sweep uit om seker te maak dat alles behoorlik werk. Nadat u tevrede is met die uitset van u volledige stroombaan, is dit tyd om uself daaraan te verbind. Plaas die positiewe elektrode op u regterpols en die negatiewe elektrode op u linkerpols. Sit die grondelektrode op u enkel. Koppel die uitset van die volledige stroombaan aan u DAQ -bord en voer die LabVIEW -program uit. U EKG -sein moet nou sigbaar wees op die golfvormgrafiek op die rekenaar. As dit nie is nie of verdraai, probeer om die versterking van die stroombaan na ongeveer 10 te verlaag deur die versterkingsweerstand dienooreenkomstig te verander. Dit moet die sein moontlik maak om deur die LabVIEW -program gelees te word.