Разработка цифрового монитора и схемы ЭКГ: 5 шагов

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

Это не медицинский прибор. 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

Цель этого проекта - создать схему, которая может усиливать и фильтровать сигнал ЭКГ, также известный как электрокардиограмма. ЭКГ можно использовать для определения частоты сердечных сокращений и сердечного ритма, поскольку она способна обнаруживать электрические сигналы, которые проходят через различные части сердца на разных этапах сердечного цикла. Здесь мы используем инструментальный усилитель, режекторный фильтр и фильтр нижних частот для усиления и фильтрации ЭКГ. Затем с помощью LabView рассчитывается количество ударов в минуту и отображается графическое представление ЭКГ. Готовый продукт можно увидеть выше.

Шаг 1: инструментальный усилитель

Необходимое усиление для инструментального усилителя составляет 1000 В / В. Это позволит значительно усилить входящий сигнал, который намного меньше. Инструментальный усилитель разделен на две части: Этап 1 и Этап 2. Коэффициент усиления каждого этапа (K) должен быть одинаковым, так что при умножении коэффициент усиления составляет около 1000. Приведенные ниже уравнения используются для расчета коэффициента усиления.

К1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

К2 = -R4 / R3

Из этих уравнений были найдены значения R1, R2, R3 и R4. Для построения схемы, показанной на изображениях, использовались три операционных усилителя uA741 и резисторы. На операционные усилители подается напряжение 15 В от источника постоянного тока. Вход инструментального усилителя был подключен к функциональному генератору, а выход был подключен к осциллографу. Затем была проведена развертка по переменному току, и было найдено усиление инструментального усилителя, что можно увидеть на графике «Усиление инструментального усилителя» выше. Наконец, схема была воссоздана в LabView, где было выполнено моделирование усиления, как это видно на черном графике выше. Результаты подтвердили, что схема работает правильно.

Шаг 2: режекторный фильтр

Режекторный фильтр используется для удаления шума, возникающего на частоте 60 Гц. Значения компонентов можно рассчитать, используя приведенные ниже уравнения. Коэффициент качества (Q) был равен 8. C был выбран с учетом имеющихся конденсаторов.

R1 = 1 / (2 * Q * ω * C)

R2 = 2 * Q / (ω * С)

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

Значения резистора и конденсатора были найдены, и приведенная выше схема была построена, расчетные значения можно увидеть там. Операционный усилитель питался от источника постоянного тока, вход которого был подключен к функциональному генератору, а выход - к осциллографу. Выполнение развертки переменного тока привело к появлению графика «развертки переменного тока режекторного фильтра» выше, показывающего, что частота 60 Гц была удалена. Чтобы подтвердить это, было проведено моделирование LabView, подтвердившее результаты.

Шаг 3: фильтр низких частот

Используется фильтр нижних частот Баттерворта второго порядка с частотой среза 250 Гц. Для определения номиналов резистора и конденсатора использовались следующие уравнения. Для этих уравнений частота среза в Гц была изменена на рад / сек, которая оказалась равной 1570,8. Использовалось усиление K = 1. Значения a и b были 1,414214 и 1 соответственно.

R1 = 2 / (wc (a C2 + sqrt (a ^ 2 + 4 b (K - 1)) C2 ^ 2 - 4 b C1 C2))

R2 = 1 / (б C1 C2 R1 wc ^ 2)

R3 = К (R1 + R2) / (К - 1)

R4 = К (R1 + R2)

C1 = (C2 (a ^ 2 + 4 b (K-1)) / (4 b)

C2 = (10 / fc)

После того, как значения были рассчитаны, была построена схема со значениями, которые можно увидеть на одном из изображений выше. Следует отметить, что, поскольку использовался коэффициент усиления 1, R3 был заменен разомкнутой цепью, а R4 был заменен коротким замыканием. После того, как схема была собрана, операционный усилитель питался напряжением 15 В от источника постоянного тока. Как и другие компоненты, вход и выход были подключены к генератору функций и осциллографу соответственно. Был создан график развертки переменного тока, показанный выше на «развертке переменного тока фильтра нижних частот». График черного цвета в моделировании схемы LabView, подтверждающий наши результаты.

Шаг 4: LabVIEW

Программа LabVIEW, показанная на изображении, используется для расчета ударов в минуту и для отображения визуального представления входной ЭКГ. DAQ Assistant получает входной сигнал и устанавливает параметры выборки. Затем график формы сигнала отображает входные данные, получаемые DAQ в пользовательском интерфейсе, для отображения пользователю. На входных данных выполняется множественный анализ. Максимальные значения входных данных находятся с использованием идентификатора макс. / Мин., А параметры для обнаружения пиков устанавливаются с помощью функции обнаружения пиков. Используя индексный массив местоположений пиков, время между максимальными значениями, заданными компонентом Change in Time, и различные арифметические операции, BPM вычисляется и отображается в виде числовых выходных данных.

Шаг 5: Завершенная схема

После того, как все компоненты были подключены, вся система была протестирована с смоделированным сигналом ЭКГ. Затем схема использовалась для фильтрации и усиления ЭКГ человека с результатами, отображаемыми с помощью вышеупомянутой программы LabView. Электроды прикрепляли к правому запястью, левому запястью и левой лодыжке. Левое запястье и правое запястье были подключены к входам инструментального усилителя, а левая щиколотка была заземлена. Затем выход фильтра нижних частот был подключен к DAQ Assistant. Программа была запущена с использованием той же блок-схемы LabView, что и раньше. При прохождении ЭКГ человека на выходе всей системы был виден четкий и стабильный сигнал, который можно увидеть на изображении выше.