Схема сбора ЭКГ: 5 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

ВНИМАНИЕ: Это не медицинское устройство. Это предназначено только для образовательных целей с использованием смоделированных сигналов. При использовании этой схемы для реальных измерений ЭКГ убедитесь, что в цепи и соединениях цепи с прибором используются надлежащие методы изоляции

Возможно, наиболее распространенным физиологическим измерением в современной индустрии здравоохранения является электрокардиограмма (ЭКГ / ЭКГ). Трудно пройти через больницу или отделение неотложной помощи, не услышав традиционный «звуковой сигнал» пульсометра или не увидев кривую ЭКГ, катящуюся по экрану в палате пациента. Но что это за измерение, которое стало так ассоциироваться с современным здравоохранением?

Электрокардиограмму часто ошибочно принимают за запись физической активности сердца, однако, как следует из названия, на самом деле это запись электрической активности, деполяризации и реполяризации сердечных мышц. Анализируя записанную форму волны, врачи могут получить представление о поведении электрической системы сердца. Некоторые распространенные диагнозы, поставленные на основании данных ЭКГ, включают: инфаркт миокарда, тромбоэмболию легочной артерии, аритмию и атриовентрикулярную блокаду.

Следующая инструкция описывает процесс и принципы, используемые для построения базовой электрической схемы, способной снимать ЭКГ с использованием простых поверхностных электродов, как это делается в больницах.

Шаг 1: разработка инструментального усилителя

Первым элементом схемы, необходимым для записи сигнала ЭКГ, является инструментальный усилитель. Этот усилитель имеет два эффекта.

1. Он создает электронный буфер между записывающими электродами и остальной частью схемы. Это снижает потребляемый ток от электродов практически до нуля. Позволяет собирать сигнал с очень небольшим искажением, вызванным входным сопротивлением.

2. Он дифференциально усиливает записанный сигнал. Это означает, что любой сигнал, общий для обоих регистрирующих электродов, не будет усилен, а различия (важные части) будут.

Обычно записи ЭКГ с поверхности электрода находятся в диапазоне милливольт. Следовательно, чтобы получить этот сигнал в диапазоне, мы можем работать с усилением (K) 1000 В / В.

Основные уравнения для усилителя, показанного выше:

K1 = 1 + 2 * R2 / R1, это усиление ступени 1

K2 = - R4 / R3, это усиление второй ступени

Обратите внимание, что в идеале K1 и K2 должны быть примерно равны и для достижения желаемого усиления K1 * K2 = 1000

Окончательные значения, использованные в нашей схеме, были….

R1 = 6.5 кОм

R2 = 100 кОм

R3 = 3,17 кОм

R4 = 100 кОм

Шаг 2: разработка режекторного фильтра

В современном мире вполне вероятно, что сбор ЭКГ будет производиться рядом с другими электронными устройствами или даже просто в здании, которое снабжается электричеством от местных линий электропередач. К сожалению, высокое напряжение и колебательный характер подаваемой энергии означает, что она будет производить большое количество электрического «шума» практически в любом проводящем материале, который находится рядом с ним; это включает в себя провода и элементы схемы, используемые для построения нашей схемы сбора ЭКГ.

Чтобы бороться с этим, любой сигнал с частотой, равной частоте шума, генерируемого местным источником питания (называемый сетевым гудением), можно просто отфильтровать и по существу удалить. В Соединенных Штатах электросеть подает напряжение 110–120 В с частотой 60 Гц. Следовательно, нам необходимо отфильтровать любую составляющую сигнала с частотой 60 Гц. К счастью, это уже делалось много раз раньше, и для этого достаточно создать режекторный фильтр (на фото выше).

Уравнения, управляющие этим фильтром, следующие….

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (ш * C)

R3 = (R1 * R2) / (R1 + R2)

Q = w / B

где wc2 - высокая частота среза, w2 - низкая частота среза, w - частота среза в рад / с, а Q - добротность.

Обратите внимание, что C - это значение, которое можно свободно выбирать. В нашей схеме использовались следующие значения:

R1 = 1,65 кОм

R2 = 424,5 кОм

Q = 8

w = 120 * пи рад / сек

Шаг 3: фильтр нижних частот

Сигналы ЭКГ имеют частоту от 0 до 150 Гц. Чтобы предотвратить попадание большего количества шума на сигнал от устройств с более высокой частотой, чем этот диапазон, был реализован фильтр нижних частот Баттер-Уорта второго порядка с отсечкой 150 Гц, чтобы позволить только сигналу ЭКГ проходить через цепь. Вместо того, чтобы сразу выбирать легкодоступную емкость конденсатора, как в предыдущих компонентах, первое значение емкости конденсатора, C2, было выбрано на основе формулы, приведенной ниже. Исходя из этого значения, можно рассчитать все остальные значения компонентов, а затем добавить их в схему, снова сохраняя коэффициент усиления на уровне 1 В / В.

C2 ≈ 10 / fc uf, где fc - частота среза (в данном случае 150 Гц).

Затем можно рассчитать оставшиеся значения, как показано в таблице, включенной в качестве второго изображения на этом этапе.

Окончательные значения, которые использовались для размещения на схеме выше, следующие:

C2 = 66 нФ

C1 = 33 нФ

R1 = 22,47 кОм

R2 = 22,56 кОм

Шаг 4: Подготовка к LabVIEW

Единственные материалы, необходимые для этого раздела коллекции ЭКГ, - это компьютер под управлением Windows, оснащенный 64-разрядной копией LabVIEW и платой согласования сигналов National Instruments () с одним входным модулем. Функциональная блок-схема в LabVIEW должна быть построена следующим образом. Начните с открытия пустой функциональной блок-схемы.

Вставьте блок DAQ Assistant и настройте следующие параметры:

Измерение: Аналоговый → Напряжение

Режим: RSE

Отбор проб: непрерывный отбор проб

Собрано образцов: 2500

Частота дискретизации: 1000 / сек.

Выведите собранную осциллограмму на график осциллограмм. Кроме того, вычислите максимальное значение данных текущего сигнала. Умножьте максимальное значение волны на такое значение, как 0,8, чтобы создать порог для обнаружения пика, это значение можно отрегулировать в зависимости от уровня шума в сигнале. Подайте результат предыдущего шага в качестве порога и необработанный массив напряжений в качестве данных для функции «Обнаружение пика». Затем возьмите выходной сигнал «Местоположение» массива обнаружения пиков и вычтите первое и второе значения. Это представляет собой разницу в значениях индексов двух пиков в исходном массиве. Затем это можно преобразовать в разницу во времени, разделив значение на частоту дискретизации, для примера это 1000 / сек. Наконец, возьмите обратное значение (Гц) и умножьте на 60, чтобы получить частоту сердечных сокращений в ударах в минуту (уд / мин). Окончательная блок-схема для этого должна напоминать изображение заголовка для этого шага.

Шаг 5: Полная интеграция системы

Теперь, когда все компоненты были сконструированы индивидуально, пришло время собрать торговый центр. Это можно сделать, просто подключив выход одной секции ко входу следующего сегмента. Этапы должны быть подключены в том же порядке, в котором они указаны в данном Руководстве. Для последнего каскада, фильтра БаттерУорта, его вход должен быть подключен к одному из двух выводов на входном модуле платы преобразования сигнала. Другой вывод от этого модуля следует подключить к общей массе цепей.

Каждый из двух отведений инструментального усилителя должен быть подсоединен к электроду ЭКГ / ЭКГ. Это легко сделать с помощью двух зажимов типа «крокодил». Затем поместите по одному электроду на каждое запястье. Убедитесь, что все сегменты схемы подключены, и что LabVIEW VI работает, а система должна выводить график формы сигнала в окне LabVIEW.

Результат должен быть похож на второе изображение, представленное на этом шаге. Если это не похоже, значения вашей схемы, возможно, необходимо отрегулировать. Одна из распространенных проблем заключается в том, что режекторный фильтр не будет центрирован непосредственно на частоте 60 Гц и может быть немного слишком высоким / низким. Это можно проверить, создав для фильтра график Боде. В идеале режекторный фильтр должен иметь ослабление не менее 20 дБ на частоте 60 Гц. Также может быть полезно проверить, что ваша местная электроэнергия подается с частотой 60 Гц. В некоторых областях нередко используются источники переменного тока с частотой 50 Гц, для этого потребуется центрировать режекторный фильтр вокруг этого значения.