Монитор ЭКГ: 8 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.

Электрокардиография - это процесс записи электрических сигналов, генерируемых сердцем пациента, для получения информации об активности сердца. Для эффективного захвата электрического сигнала его необходимо фильтровать и усиливать с помощью электрических компонентов. Информация также должна быть представлена пользователю в ясной и эффективной форме.

В следующих инструкциях описывается, как построить схему усиления / фильтрации, а также пользовательский интерфейс. Он включает в себя создание инструментального усилителя, режекторного фильтра, фильтра нижних частот и пользовательского интерфейса в LabVIEW.

Первым шагом в этом процессе является определение требований аналоговой схемы. После определения требований принимаются решения о том, какие основные компоненты будут составлять схему. Позже рассматриваются более мелкие детали, касающиеся характеристик этих основных компонентов, и, наконец, этап проектирования схемы завершается определением точных значений каждого резистора и конденсатора в цепи.

Шаг 1. Определение требований и основных компонентов

Задача схемы - усилить сигнал ЭКГ, генерируемый пациентом, и отфильтровать весь связанный с ним шум. Необработанный сигнал состоит из сложной формы волны с максимальной амплитудой примерно 2 мВ и частотных составляющих в диапазоне от 100 Гц до 250 Гц в комплексе QRS. Это сигнал, который нужно усилить и записать.

Помимо интересующего сигнала, шум создается из нескольких источников. Источники питания генерируют шум 60 Гц, а движение пациента вызывает артефакты в диапазоне менее 1 Гц. Более высокочастотный шум возникает из-за фонового излучения и телекоммуникационных сигналов, таких как сотовые телефоны и беспроводной Интернет. Этот набор шума и есть сигнал, который нужно отфильтровать.

Схема должна сначала усилить необработанный сигнал. Затем он должен отфильтровать шум 60 Гц и любой другой шум выше 160 Гц. Считается, что фильтрация низкочастотного шума, связанного с движением пациента, не требуется, поскольку пациенту можно просто дать указание оставаться на месте.

Поскольку сигнал измеряется как разность потенциалов между двумя электродами, расположенными на пациенте, усиление достигается за счет использования инструментального усилителя. Можно также использовать простой дифференциальный усилитель, но инструментальные усилители часто работают лучше в отношении подавления шума и допусков. Фильтрация 60 Гц достигается за счет использования режекторного фильтра, а остальная часть высокочастотной фильтрации достигается за счет использования фильтра нижних частот. Эти три элемента составляют всю аналоговую схему.

Зная три элемента схемы, можно определить более мелкие детали, касающиеся усиления, частот среза и ширины полосы компонентов.

Инструментальный усилитель будет настроен на усиление 670. Это достаточно велико для записи небольшого сигнала ЭКГ, но также достаточно мало, чтобы гарантировать, что операционные усилители будут вести себя в пределах своего линейного диапазона при тестировании схемы с сигналами около 20 мВ, так как является минимумом на некоторых генераторах функций.

Режекторный фильтр будет отцентрован на 60 Гц.

Фильтр нижних частот будет иметь частоту среза 160 Гц. Он по-прежнему должен захватывать большую часть комплекса QRS и подавлять высокочастотный фоновый шум.

Шаг 2: инструментальный усилитель

На схемах выше описан инструментальный усилитель.

Усилитель имеет два каскада. Первый каскад состоит из двух операционных усилителей слева от изображений выше, а второй каскад состоит из одного операционного усилителя справа. Коэффициент усиления каждого из них можно модулировать по своему усмотрению, но мы решили построить его с коэффициентом усиления 670 В / В. Этого можно добиться при следующих значениях сопротивления:

R1: 100 Ом

R2: 3300 Ом

R3: 100 Ом

R4: 1000 Ом

Шаг 3: режекторный фильтр

На схемах выше описан режекторный фильтр. Это активный фильтр, поэтому мы можем выбрать, усилить или ослабить сигнал, если захотим, но мы уже достигли всего необходимого усиления, поэтому мы выбираем коэффициент усиления для этого операционного усилителя, равный единице. Центральная частота должна быть 60 Гц, а коэффициент качества - 8. Этого можно достичь с помощью следующих значений компонентов:

R1: 503 Ом

R2: 128612 Ом

R3: 503 Ом

C: 0,33 мкФ

Шаг 4: фильтр низких частот

Опять же, это активный фильтр, поэтому мы можем выбрать любой коэффициент усиления, который захотим, но мы выберем 1. Это достигается путем включения R4, указанного выше, на короткое замыкание, а R3 - на разомкнутую цепь. Остальное, как и в случае с другими компонентами, достигается за счет использования наших ранее определенных требований в сочетании с уравнениями, управляющими схемами, для получения значений отдельных элементов:

R1: 12056 Ом

R2: 19873,6 Ом

C1: 0,047 мкФ

C2: 0,1 мкФ

Шаг 5. Виртуальное проектирование полной схемы

Проектирование схемы в программном обеспечении для построения виртуальной схемы, таком как PSPICE, может быть очень полезным для выявления ошибок и утверждения планов перед переходом к изготовлению реальных аналоговых схем. На этом этапе можно зафиксировать развертки цепи переменного тока, чтобы убедиться, что все работает в соответствии с планом.

Шаг 6: Постройте полную схему

Схема может быть построена как угодно, но для этого случая была выбрана макетная плата.

Рекомендуется сборка на макетной плате, потому что это проще, чем пайка, но пайка даст больше прочности. Также рекомендуется установить байпасный конденсатор 0,1 мкФ на землю параллельно источнику питания, так как это помогает устранить нежелательные отклонения от постоянной мощности.

Шаг 7: Пользовательский интерфейс LabVIEW

Пользовательский интерфейс LabVIEW - это средство преобразования аналоговых сигналов в визуальные и числовые представления сигнала ЭКГ, которые пользователь может легко интерпретировать. Плата DAQ используется для преобразования сигнала из аналогового в цифровой, и данные импортируются в LabVIEW.

Программное обеспечение представляет собой объектно-ориентированную программу, которая помогает в обработке данных и создании интерфейса. Данные сначала визуально представляются графиком, а затем выполняется некоторая обработка сигнала, чтобы определить частоту сердцебиения, чтобы ее можно было отобразить рядом с графиком.

Чтобы определить частоту сердечных сокращений, необходимо определить сердцебиение. Это может быть выполнено с помощью объекта обнаружения пиков Lab VIEW. Объект выводит индексы пиков в полученном массиве данных, которые затем можно использовать в вычислениях для определения времени, которое проходит между контрольными ударами.

Поскольку детали LabVIEW будут совершенно другим Instructable, мы оставим детали другому источнику. Точную работу программы можно увидеть на блок-схеме, представленной выше.

Шаг 8: конечный пользовательский интерфейс LabVIEW

Окончательный пользовательский интерфейс отображает усиленный, отфильтрованный, преобразованный и обработанный сигнал, а также считывание частоты сердечных сокращений в ударах в минуту.