Простая схема ЭКГ и программа сердечного ритма LabVIEW: 6 шагов

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

Электрокардиограмма или ЭКГ - это чрезвычайно мощная система диагностики и мониторинга, используемая во всех медицинских практиках. ЭКГ используются для графического наблюдения за электрической активностью сердца, чтобы проверить наличие отклонений в частоте сердечных сокращений или электрических сигналов.

По показаниям ЭКГ можно определить частоту сердечных сокращений пациента по временному интервалу между комплексами QRS. Кроме того, по подъему сегмента ST могут быть обнаружены другие медицинские условия, такие как ожидающийся сердечный приступ. Подобные показания могут иметь решающее значение для правильной диагностики и лечения пациента. Зубец P показывает сокращение предсердия сердца, кривая QRS - сокращение желудочков, а зубец T - реполяризация сердца. Зная даже такую простую информацию, как эта, можно быстро диагностировать у пациента нарушение функции сердца.

Стандартная ЭКГ, используемая в медицинской практике, имеет семь электродов, которые расположены мягким полукругом вокруг нижней части сердца. Такое размещение электродов обеспечивает минимальный шум при записи, а также позволяет проводить более последовательные измерения. Для нашей цели созданной схемы ЭКГ мы будем использовать только три электрода. Положительный входной электрод будет помещен на правое внутреннее запястье, отрицательный входной электрод будет размещен на левом внутреннем запястье, а заземляющий электрод будет подключен к лодыжке. Это позволит снимать показания сердца с относительной точностью. При таком размещении электродов, подключенных к инструментальному усилителю, фильтру нижних частот и режекторному фильтру, формы сигналов ЭКГ должны быть легко различимы как выходной сигнал созданной схемы.

ПРИМЕЧАНИЕ. 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

Шаг 1. Создайте инструментальный усилитель

Чтобы построить многокаскадную аппаратуру с усилением 1000 или 60 дБ, необходимо применить следующее уравнение.

Усиление = (1 + 2 * R1 / Rgain)

R1 равно всем резисторам, используемым в инструментальном усилителе, за исключением резистора усиления, который в некотором смысле заставляет все усиление быть задействованным в первом каскаде усилителя. Было выбрано 50,3 кОм. Чтобы рассчитать резистор усиления, это значение подставляется в приведенное выше уравнение.

1000 = (1 + 2 * 50300 / Rgain)

Rgain = 100,7

После вычисления этого значения инструментальный усилитель может быть сконструирован в виде следующей схемы, показанной на этом этапе. OP / AMP должны быть запитаны положительным и отрицательным 15 вольт, как показано на принципиальной схеме. Обходные конденсаторы для каждого OP / AMP должны быть размещены рядом с OP / AMP последовательно с источником питания, чтобы ослабить любой сигнал переменного тока, поступающий от источника питания на землю, чтобы предотвратить перегорание OP / AMP и любой дополнительный шум, который может способствовать к сигналу. Кроме того, чтобы проверить фактическое усиление схемы, на узел положительного электрода следует подать входную синусоидальную волну, а узел отрицательного электрода должен быть подключен к земле. Это позволит точно увидеть усиление схемы при входном сигнале менее 15 мВ от пика к пику.

Шаг 2: Создайте фильтр нижних частот 2-го порядка

Фильтр нижних частот 2-го порядка использовался для удаления шума выше интересующей частоты для сигнала ЭКГ, которая составляла 150 Гц.

Значение K, используемое в расчетах для фильтра нижних частот 2-го порядка, является усилением. Поскольку мы не хотим усиления в нашем фильтре, мы выбрали значение усиления 1, что означает, что входное напряжение будет равно выходному напряжению.

К = 1

Для фильтра Баттерворта второго порядка, который будет использоваться для этой схемы, коэффициенты a и b определены ниже. а = 1,414214 б = 1

Во-первых, в качестве второго конденсатора выбирается конденсатор относительно большого размера, который легко доступен в лаборатории и в реальном мире.

C2 = 0,1 F

Для расчета первого конденсатора используются следующие соотношения между ним и вторым конденсатором. Коэффициенты K, a и b были включены в уравнение, чтобы вычислить, каким должно быть это значение.

C1 <= C2 * [a ^ 2 + 4b (K-1)] / 4b

C1 <= (0,1 * 10 ^ -6 [1,414214 ^ 2 + 4 * 1 (1-1)] / 4 * 1

C1 <= 50 нФ

Поскольку первый конденсатор рассчитан как меньше или равен 50 нФ, было выбрано следующее значение конденсатора.

C1 = 33 нФ

Для расчета первого резистора, необходимого для этого фильтра нижних частот второго порядка с частотой среза 150 Гц, следующее уравнение было решено с использованием вычисленных значений конденсатора и коэффициентов K, a и b. R1 = 2 / [(частота среза) * [aC2 * sqrt ([(a ^ 2 + 4b (K-1)) C2 ^ 2-4bC1C2])]

R1 = 9478 Ом

Для расчета второго резистора использовалось следующее уравнение. Частота среза снова составляет 150 Гц, а коэффициент b равен 1.

R2 = 1 / [bC1C2R1 (частота среза) ^ 2]

R2 = 35,99 кОм. После расчета вышеуказанных значений резисторов и конденсаторов, необходимых для режекторного фильтра второго порядка, была создана следующая схема, чтобы показать активный фильтр нижних частот, который будет использоваться. OP / AMP питается от положительного и отрицательного 15 вольт, как показано на схеме. Байпасные конденсаторы подключены к источникам питания, так что любой сигнал переменного тока, исходящий от источника, отводится на землю, чтобы гарантировать, что OP / AMP не подожжется этим сигналом. Чтобы протестировать этот этап схемы ЭКГ, узел входного сигнала должен быть подключен к синусоиде и должна быть выполнена развертка переменного тока от 1 Гц до 200 Гц, чтобы увидеть, как работает фильтр.

Шаг 3. Создайте режекторный фильтр

Режекторный фильтр - чрезвычайно важная часть многих схем для измерения низкочастотных сигналов. На низких частотах очень часто встречается шум переменного тока 60 Гц, поскольку это частота переменного тока, протекающего через здания в Соединенных Штатах. Этот шум 60 Гц неудобен, так как он находится в середине полосы пропускания ЭКГ, но режекторный фильтр может удалить определенные частоты, сохраняя при этом остальную часть сигнала. При разработке этого режекторного фильтра очень важно иметь высокий коэффициент качества Q, чтобы гарантировать резкий спад режекции вокруг интересующей точки. Ниже подробно описаны расчеты, использованные для создания активного режекторного фильтра, который будет использоваться в цепи ЭКГ.

Сначала необходимо преобразовать интересующую частоту 60 Гц из Гц в рад / с.

частота = 2 * пи * частота

частота = 376,99 рад / сек

Далее следует рассчитать полосу пропускания частот. Эти значения определяются таким образом, чтобы гарантировать, что основная интересующая частота, 60 Гц, полностью отключена и лишь несколько окружающих частот будут затронуты незначительно.

Полоса пропускания = Cutoff2-Cutoff1

Полоса пропускания = 37,699 Далее необходимо определить коэффициент качества. Фактор качества определяет, насколько резким будет надрез и насколько узким будет отсечение. Это рассчитывается с использованием полосы пропускания и интересующей частоты. Q = частота / ширина полосы

Q = 10

Для этого фильтра выбирается легкодоступная емкость конденсатора. Конденсатор не обязательно должен быть большим и определенно не должен быть слишком маленьким.

C = 100 нФ

Для расчета первого резистора, используемого в этом активном режекторном фильтре, использовалась следующая зависимость, включающая добротность, интересующую частоту и выбранный конденсатор.

R1 = 1 / [2QC * частота]

R1 = 1326,29 Ом

Второй резистор, используемый в этом фильтре, рассчитывается по следующей формуле.

R2 = 2Q / [частота * C]

R2 = 530516 Ом

Конечный резистор для этого фильтра рассчитывается с использованием двух предыдущих значений резисторов. Ожидается, что он будет очень похож на первый рассчитанный резистор.

R3 = R1 * R2 / [R1 + R2]

R3 = 1323 Ом

После того, как все значения компонентов вычислены с использованием описанных выше уравнений, необходимо построить следующий режекторный фильтр, чтобы точно отфильтровать шум переменного тока 60 Гц, который нарушит сигнал ЭКГ. OP / AMP должен быть запитан положительным и отрицательным 15 вольт, как показано на схеме ниже. Байпасные конденсаторы подключаются к источникам питания на OP / AMP, так что любой сигнал переменного тока, который исходит от источника питания, отводится на землю, чтобы гарантировать, что OP / AMP не перегорит. должен быть подключен к синусоиде, а развертка по переменному току должна выполняться от 40 Гц до 80 Гц, чтобы увидеть фильтрацию сигнала 60 Гц.

Шаг 4. Создайте программу LabVIEW для расчета частоты пульса

LabVIEW - полезный инструмент для работы с приборами, а также для сбора данных. Для сбора данных ЭКГ используется плата сбора данных, которая считывает входные напряжения с частотой дискретизации 1 кГц. Эти входные напряжения затем выводятся на график, который используется для отображения записи ЭКГ. Собранные данные затем проходят через средство поиска максимальных значений, которое выводит максимальные считанные значения. Эти значения позволяют рассчитать пиковый порог при 98% максимального выхода. После этого используется пиковый детектор, чтобы определить, когда данные превышают этот порог. Эти данные вместе с временем между пиками можно использовать для определения частоты пульса. Этот простой расчет точно определит частоту сердечных сокращений по входным напряжениям, считываемым платой сбора данных.

Шаг 5: Тестирование

После создания схем вы готовы приступить к их работе! Во-первых, каждый каскад должен быть протестирован с разверткой переменного тока частот от 0,05 Гц до 200 Гц. Входное напряжение не должно превышать 15 мВ от пика до пика, чтобы сигнал не нарушался ограничениями OP / AMP. Затем подключите все цепи и снова выполните полную развертку переменного тока, чтобы убедиться, что все работает правильно. После того, как вы будете удовлетворены выходом вашей полной схемы, самое время подключиться к ней. Поместите положительный электрод на правое запястье, а отрицательный электрод на левое запястье. Положите заземляющий электрод на лодыжку. Подключите выход полной схемы к вашей плате DAQ и запустите программу LabVIEW. Ваш сигнал ЭКГ теперь должен быть виден на графике кривой на компьютере. Если это не так или искажено, попробуйте снизить коэффициент усиления схемы примерно до 10, изменив соответственно резистор усиления. Это должно позволить программе LabVIEW прочитать сигнал.