Простая автоматическая ЭКГ (1 усилитель, 2 фильтра): 7 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Электрокардиограмма (ЭКГ) измеряет и отображает электрическую активность сердца с помощью различных электродов, размещенных на коже. ЭКГ можно создать с помощью инструментального усилителя, режекторного фильтра и фильтра нижних частот. Наконец, отфильтрованный и усиленный сигнал можно визуализировать с помощью программного обеспечения LabView. LabView также использует входящую частоту сигнала для расчета сердцебиения человека. Созданный инструментальный усилитель успешно принимал слабый сигнал тела и усиливал его до 1 В, чтобы его можно было просматривать на компьютере с помощью LabView. Режекторные фильтры и фильтры нижних частот успешно уменьшили шум 60 Гц от источников питания и мешающие сигналы выше 350 Гц. Частота сердечных сокращений в состоянии покоя составила 75 ударов в минуту и 137 ударов в минуту после пяти минут интенсивных упражнений. Построенная ЭКГ была способна измерять сердцебиение с реалистичными значениями и визуализировать различные компоненты типичной формы волны ЭКГ. В будущем эту ЭКГ можно будет улучшить, изменив пассивные значения в режекторном фильтре, чтобы уменьшить больше шума около 60 Гц.

Шаг 1. Создайте инструментальный усилитель

Вам понадобится: LTSpice (или другое программное обеспечение для визуализации схем).

Инструментальный усилитель был создан для увеличения размера сигнала, чтобы он был виден и позволял анализировать форму волны.

При использовании R1 = 3,3 кОм, R2 = 33 кОм, R3 = 1 кОм, R4 = 48 Ом достигается усиление X. Усиление = - R4 / R3 (1 + R2 / R1) = -47k / 1k (1- (33k / 3.3k)) = -1008

Поскольку в последнем операционном усилителе сигнал поступает на инвертирующий вывод, коэффициент усиления равен 1008. Эта конструкция была создана в LTSpice, а затем смоделирована с помощью развертки переменного тока от 1 до 1 кГц со 100 точками на декаду для входного синусоидального сигнала с амплитудой переменного тока 1 В..

Мы проверили, что наше усиление было таким же, как и предполагаемое. Из графика мы нашли усиление = 10 ^ (60/20) = 1000, что достаточно близко к нашему предполагаемому усилению в 1008.

Шаг 2: Создайте режекторный фильтр

Вам понадобится: LTSpice (или другое программное обеспечение для визуализации схем).

Режекторный фильтр - это особый тип фильтра нижних частот, за которым следует фильтр верхних частот для устранения определенной частоты. Режекторный фильтр используется для устранения шума, производимого всеми электронными устройствами, который присутствует на частоте 60 Гц.

Были рассчитаны пассивные значения: C = 0,1 мкФ (выбрано значение) 2C = 0,2 мкФ (использовался конденсатор 0,22 мкФ).

Будет использован коэффициент AQ, равный 8: R1 = 1 / (2 * Q * 2 * pi * f * C) = 1 / (2 * 8 * 2 * 3,14159 * 60 *.1E-6) = 1,66 кОм (1,8 кОм использовалось) R2 = 2Q / (2 * pi * f * C) = (2 * 8) / (60 Гц * 2 * 3,14159 *.1E-6 F) = 424 кОм (было 390 кОм + 33 кОм = 423 кОм. используется) Деление напряжения: Rf = R1 * R2 / (R1 + R2) = 1,8 кОм * 423 кОм / (1,8 кОм + 423 кОм) = 1,79 кОм (использовалось 1,8 кОм)

Эта конструкция фильтра имеет коэффициент усиления 1, что означает отсутствие усилительных свойств.

Подключение пассивных значений и моделирование на LTSpice с разверткой переменного тока и входным сигналом синусоидальной волны 0,1 В с частотой переменного тока 1 кГц приводит к прилагаемому графику Боде.

При частоте около 60 Гц сигнал достигает минимального напряжения. Фильтр успешно устраняет шум 60 Гц до незаметного напряжения 0,01 В и обеспечивает коэффициент усиления 1, поскольку входное напряжение составляет 0,1 В.

Шаг 3: Создайте фильтр низких частот

Вам понадобится: LTSpice (или другое программное обеспечение для визуализации схем).

Фильтр нижних частот был создан для удаления сигналов выше интересующего порога, которые могли бы содержать сигнал ЭКГ. Интересующий порог находился в пределах от 0 до 350 Гц.

Емкость конденсатора была выбрана равной 0,1 мкФ. Необходимое сопротивление рассчитано для высокой частоты среза 335 Гц: C = 0,1 мкФ R = 1 / (2pi * 0,1 * (10 ^ -6) * 335 Гц) = 4,75 кОм (использовалось 4,7 кОм)

Подключение пассивных значений и моделирование на LTSpice с разверткой переменного тока и входным сигналом синусоидальной волны 0,1 В с частотой переменного тока 1 кГц приводит к прилагаемому графику Боде.

Шаг 4: Создайте схему на макетной плате

Вам потребуются: резисторы разного номинала, конденсаторы разного номинала, операционные усилители UA 471, соединительные кабели, макет, соединительные кабели, блок питания или аккумулятор на 9 В.

Теперь, когда вы смоделировали свою схему, пришло время построить ее на макете. Если у вас нет точных значений в списке, используйте то, что у вас есть, или комбинируйте резисторы и конденсаторы, чтобы получить нужные вам значения. Не забудьте запитать макетную плату от 9-вольтовой батареи или источника постоянного тока. Каждому операционному усилителю нужен источник положительного и отрицательного напряжения.

Шаг 5: Настройка среды LabView

Вам потребуется: программа LabView, компьютер.

Для автоматизации отображения формы волны и расчета частоты сердечных сокращений использовался LabView. LabView - это программа, используемая для визуализации и анализа данных. Выход схемы ЭКГ является входом для LabView. Данные вводятся, отображаются в виде графиков и анализируются на основе блок-схемы, представленной ниже.

Сначала DAQ Assistant принимает аналоговый сигнал из схемы. Здесь устанавливаются инструкции по отбору проб. Частота дискретизации составляла 1 тыс. Выборок в секунду, а интервал - 3 тыс. Мс, поэтому временной интервал, отображаемый на графике формы волны, составляет 3 секунды. График формы волны получил данные от DAQ Assistant, а затем отобразил их в окне лицевой панели. Нижняя часть блок-схемы содержит расчет частоты пульса. Сначала измеряются максимум и минимум волны. Затем эти измерения амплитуды используются для определения наличия пиков, которые определены как 95% от максимальной амплитуды, и если да, то записывается момент времени. После обнаружения пиков амплитуда и момент времени сохраняются в массивах. Затем количество пиков / секунд преобразуется в минуты и отображается на передней панели. На передней панели отображается форма волны и количество ударов в минуту.

Схема была подключена к LabVIEW через АЦП National Instruments, как показано на рисунке выше. Функциональный генератор, создавший смоделированный сигнал ЭКГ, был введен в АЦП, который передал данные в LabView для построения графиков и анализа. Кроме того, после того, как BPM был рассчитан в LabVIEW, числовой индикатор использовался для вывода этого значения на лицевую панель приложения вдоль графика формы сигнала, как показано на рисунке 2.

Шаг 6: Тестовая схема с помощью генератора функций

Вам понадобятся: схема на макетной плате, соединительные кабели, блок питания или батарея 9 В, АЦП National Instruments, программное обеспечение LabView, компьютер.

Для тестирования приборов LabView смоделированная ЭКГ была введена в схему, а выход схемы был подключен к LabView через АЦП National Instruments. Сначала в схему был введен сигнал 20 мВ (пиковый размах) с частотой 1 Гц для имитации сердцебиения в состоянии покоя. Передняя панель LabView показана на изображении ниже. Видны зубцы P, T, U и комплекс QRS. BMP правильно рассчитывается и отображается в числовом индикаторе. Коэффициент усиления схемы составляет около 8 В / 0,02 В = 400, что аналогично тому, что мы видели, когда схема была подключена к осциллографу. Изображение результата в LabView прилагается. Затем, чтобы смоделировать учащенное сердцебиение, например, во время тренировки, в схему был введен сигнал 20 мВ (пиковый размах) на частоте 2 Гц. Прирост частоты пульса в состоянии покоя был сопоставим с результатами теста. Видно, что ниже формы волны все те же части, что и раньше, только с большей скоростью. Частота сердечных сокращений рассчитывается и отображается на числовом индикаторе, и мы видим ожидаемые 120 ударов в минуту.

Шаг 7. Тестовая схема с использованием человека

Вам понадобятся: схема на макетной плате, соединительные кабели, блок питания или батарея 9 В, АЦП National Instruments, программное обеспечение LabView, компьютер, электроды (минимум три), человек.

Наконец, схема тестировалась с вводом ЭКГ-отведений человека в цепь и выходом схемы, входящей в LabView. Для получения реального сигнала к испытуемому помещали три электрода. Электроды помещали на запястья и правую щиколотку. Правое запястье было положительным входом, левое запястье было отрицательным, а лодыжка была заземлена. Данные снова были введены в LabView для обработки. Конфигурация электродов прилагается в виде изображения.

Сначала был отображен и проанализирован сигнал ЭКГ в состоянии покоя. В состоянии покоя частота сердечных сокращений испытуемого составляла примерно 75 ударов в минуту. Затем субъект в течение 5 минут занимался интенсивной физической нагрузкой. Подопытный был повторно подключен, и был записан повышенный сигнал. После активности частота сердечных сокращений была примерно 137 ударов в минуту. Этот сигнал был меньше и имел больше шума. Электроды помещали на запястья и правую щиколотку. Правое запястье было положительным входом, левое запястье было отрицательным, а лодыжка была заземлена. Снова данные были введены в LabView для обработки.

У среднего человека сигнал ЭКГ составляет около 1 мВ. Наше ожидаемое усиление составляло около 1000, поэтому мы ожидаем выходное напряжение 1 В. Судя по записи в состоянии покоя на изображении XX, амплитуда комплекса QRS составляет примерно (-0,7) - (-1,6) = 0,9 В. Это дает ошибку 10%. (1-0,9) / 1 * 100 = 10% Частота пульса в состоянии покоя обычного человека составляет 60, измеренное значение - около 75, это дает | 60-75 | * 100/60 = 25% погрешность. Повышенная частота сердечных сокращений у стандартного человека составляет 120, измеренная частота - около 137, это дает | 120-137 | * 100/120 = 15% погрешность.

Поздравляю! Теперь вы создали свою собственную автоматизированную ЭКГ.