Простая схема записи ЭКГ и монитор сердечного ритма LabVIEW: 5 шагов

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

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

Одним из наиболее фундаментальных аспектов современного здравоохранения является возможность фиксировать сердечный ритм с помощью ЭКГ или электрокардиограммы. В этом методе используются поверхностные электроды для измерения различных электрических паттернов, излучаемых сердцем, так что выходной сигнал можно использовать в качестве диагностического инструмента для диагностики состояний сердца и легких, таких как различные формы тахикардии, блокады ветвей и гипертрофия. Для диагностики этих состояний выходной сигнал сравнивается с нормальным сигналом ЭКГ.

Чтобы создать систему, которая может получать кривую ЭКГ, сигнал необходимо сначала усилить, а затем соответствующим образом отфильтровать для удаления шума. Для этого можно построить трехступенчатую схему с использованием операционных усилителей.

Это руководство предоставит информацию, необходимую для разработки, а затем создания простой схемы, способной записывать сигнал ЭКГ с использованием поверхностных электродов, а затем фильтровать этот сигнал для дальнейшей обработки и анализа. Кроме того, в этой инструкции будет описан один метод, используемый для анализа этого сигнала с целью создания графического представления выходных сигналов схемы, а также метод расчета частоты сердечных сокращений на основе выходных сигналов схемы ЭКГ.

Примечание: при проектировании каждой ступени обязательно выполняйте развертку переменного тока как экспериментально, так и посредством моделирования, чтобы гарантировать желаемое поведение схемы.

Шаг 1: спроектируйте и сконструируйте инструментальный усилитель

Первым каскадом в этой цепи ЭКГ является инструментальный усилитель, состоящий из трех операционных усилителей. Первые два операционных усилителя являются входами с буферизацией, которые затем подаются на третий операционный усилитель, который функционирует как дифференциальный усилитель. Сигналы от тела должны быть буферизированы, иначе выходной сигнал будет уменьшаться, поскольку тело не может обеспечить большой ток. Дифференциальный усилитель использует разницу между двумя входными источниками, чтобы обеспечить измеримую разность потенциалов, одновременно подавляя общий шум. Этот каскад также имеет коэффициент усиления 1000, увеличивая типичный мВ до более читаемого напряжения.

Коэффициент усиления схемы, равный 1000, для инструментального усилителя рассчитывается по показанным уравнениям. Коэффициент усиления на этапе 1 инструментального усилителя рассчитывается по формуле (2), а коэффициент усиления на этапе 2 инструментального усилителя рассчитывается по формуле (3). K1 и K2 были рассчитаны таким образом, чтобы они не отличались друг от друга более чем на 15.

Для коэффициента усиления 1000 K1 можно установить на 40, а K2 можно установить на 25. Значения резисторов могут быть все рассчитаны, но этот конкретный инструментальный усилитель использовал значения резисторов ниже:

R1 = 40 кОм

R2 = 780 кОм

R3 = 4 кОм

R4 = 100 кОм

Шаг 2: спроектируйте и создайте режекторный фильтр

Следующим этапом является режекторный фильтр для удаления сигнала 60 Гц, поступающего из розетки.

В режекторном фильтре значение резистора R1 рассчитывается по (4), значение R2 - по (5), а значение R3 - по (6). Коэффициент качества схемы Q установлен на 8, потому что это дает разумную погрешность при реалистичной точности. Значение Q можно рассчитать по (7). Последнее определяющее уравнение режекторного фильтра используется для расчета полосы пропускания и описывается формулой (8). Помимо добротности 8, режекторный фильтр имел другие конструктивные особенности. Этот фильтр разработан с коэффициентом усиления 1, чтобы он не изменял сигнал, в то время как он удаляет сигнал 60 Гц.

Согласно этим уравнениям, R1 = 11,0524 кОм, R2 = 2,829 МОм, R3 = 11,009 кОм и C1 = 15 нФ.

Шаг 3: разработка и создание фильтра нижних частот Баттерворта 2-го порядка

Последний этап - это фильтр нижних частот для удаления всех сигналов, которые могут возникать выше самой высокочастотной составляющей волны ЭКГ, например шума WiFi и других внешних сигналов, которые могут отвлекать от интересующего сигнала. Точка -3 дБ для этого этапа должна быть около или около 150 Гц, поскольку стандартный диапазон сигналов, присутствующих в диапазоне волн ЭКГ, составляет от 0,05 Гц до 150 Гц.

При разработке фильтра Баттерворта второго порядка нижних частот для схемы снова устанавливается коэффициент усиления 1, что позволяет упростить конструкцию схемы. Перед выполнением любых дальнейших расчетов важно отметить, что желаемая частота среза фильтра нижних частот установлена на 150 Гц. Проще всего начать с расчета номинала конденсатора 2, C2, так как от этого значения зависят другие уравнения. C2 можно рассчитать по (9). Исходя из расчета C2, C1 можно рассчитать по (10). В случае этого фильтра нижних частот коэффициенты a и b определены, где a = 1,414214 и b = 1. Значение резистора R1 рассчитывается по (11), а значение резистора R2 рассчитывается по (12)..

Были использованы следующие значения:

R1 = 13,842 кОм

R2 = 54,36 кОм

C1 = 38 нФ

C1 = 68 нФ

Шаг 4: Настройте программу LabVIEW, используемую для сбора и анализа данных

Затем компьютерную программу LabView можно использовать для создания задачи, которая будет создавать графическое представление сердцебиения на основе сигнала ЭКГ и вычислять частоту сердечных сокращений на основе того же сигнала. Программа LabView выполняет это, сначала принимая аналоговый вход от платы сбора данных, которая также действует как аналого-цифровой преобразователь. Этот цифровой сигнал затем анализируется и наносится на график, где график показывает графическое представление сигнала, вводимого в плату сбора данных. Форма сигнала анализируется путем взятия 80% максимальных значений принимаемого цифрового сигнала, а затем используется функция пикового детектора для обнаружения этих пиков сигнала. Одновременно программа принимает форму волны и вычисляет разницу во времени между пиками формы волны. Обнаружение пика сочетается с соответствующими значениями 1 или 0, где 1 представляет пик для создания индекса расположения пиков, и этот индекс затем используется вместе с разницей во времени между пиками для математического расчета частоты сердечных сокращений в ударов в минуту (BPM). Показана блок-схема, которая использовалась в программе LabView.

Шаг 5: Полная сборка

После того, как вы построили все свои схемы и программу LabVIEW и убедились, что все работает должным образом, вы готовы записывать сигнал ЭКГ. На рисунке изображена возможная схема полной сборки системы цепи.

Подключите положительный электрод к правому запястью и одному из обведенных кружком входов инструментального усилителя, а отрицательный электрод к левому запястью и другому входу инструментального усилителя, как показано на рисунке. Порядок ввода электродов значения не имеет. Наконец, поместите заземляющий электрод на лодыжку и подключите его к заземлению в вашей цепи. Поздравляем, вы выполнили все шаги, необходимые для записи и сигнала ЭКГ.