Как создать цифровой монитор ЭКГ и сердечного ритма: 6 шагов

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

Электрокардиограмма (ЭКГ) измеряет электрическую активность сердцебиения, чтобы показать, насколько быстро сердце бьется, а также его ритм. Электрический импульс, также известный как волна, проходит через сердце, заставляя сердечную мышцу перекачивать кровь с каждым ударом. Правое и левое предсердия создают первый зубец P, а правый и левый нижние желудочки образуют комплекс QRS. Последний зубец T - это переход от электрического восстановления к состоянию покоя. Врачи используют сигналы ЭКГ для диагностики сердечных заболеваний, поэтому важно получать четкие изображения.

Цель этого руководства - получить и отфильтровать сигнал электрокардиограммы (ЭКГ) путем объединения в схему инструментального усилителя, режекторного фильтра и фильтра нижних частот. Затем сигналы проходят через аналого-цифровой преобразователь в LabView для создания графика в реальном времени и пульса в BPM.

«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».

Шаг 1: разработка инструментального усилителя

Чтобы построить инструментальный усилитель, нам понадобятся 3 операционных усилителя и 4 различных резистора. Инструментальный усилитель увеличивает коэффициент усиления выходной волны. В этой конструкции мы стремились к усилению 1000 В, чтобы получить хороший сигнал. Используйте следующие уравнения для расчета соответствующих резисторов, где K1 и K2 - коэффициент усиления.

Этап 1: K1 = 1 + (2R2 / R1)

2 этап: K2 = - (R4 / R3)

Для этой конструкции использовались R1 = 20,02 Ом, R2 = R4 = 10 кОм, R3 = 10 Ом.

Шаг 2: разработка режекторного фильтра

Во-вторых, мы должны построить режекторный фильтр, используя операционный усилитель, резисторы и конденсаторы. Назначение этого компонента - отфильтровать шум на частоте 60 Гц. Мы хотим фильтровать точно с частотой 60 Гц, чтобы все, что ниже и выше этой частоты, проходило, но амплитуда сигнала будет самой низкой на 60 Гц. Для определения параметров фильтра мы использовали коэффициент усиления 1 и коэффициент качества 8. Используйте приведенные ниже уравнения, чтобы рассчитать соответствующие значения резисторов. Q - добротность, w = 2 * pi * f, f - центральная частота (Гц), B - ширина полосы (рад / сек), а wc1 и wc2 - частоты среза (рад / сек).

R1 = 1 / (2QwC)

R2 = 2Q / (wC)

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

Q = w / B

B = wc2 - wc1

Шаг 3. Разработайте фильтр нижних частот

Назначение этого компонента - отфильтровать частоты выше определенной частоты среза (wc), по существу не позволяя им проходить. Мы решили отфильтровать частоту 250 Гц, чтобы не срезать слишком близко к средней частоте, используемой для измерения сигнала ЭКГ (150 Гц). Чтобы вычислить значения, которые мы будем использовать для этого компонента, мы будем использовать следующие уравнения:

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

C2 = 10 / частота среза (Гц)

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

R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * wc ^ 2)

Мы установим коэффициент усиления равным 1, так что R3 станет разомкнутой цепью (без резистора), а R4 станет коротким замыканием (просто проводом).

Шаг 4: Проверьте цепь

Для каждого компонента выполняется развертка переменного тока, чтобы определить эффективность фильтра. Развертка по переменному току измеряет величину компонента на разных частотах. Вы ожидаете увидеть разные формы в зависимости от компонента. Важность развертки переменного тока заключается в том, чтобы убедиться, что схема работает правильно после ее создания. Чтобы выполнить этот тест в лаборатории, просто запишите Vout / Vin в диапазоне частот. Для инструментального усилителя мы протестировали от 50 до 1000 Гц, чтобы получить широкий диапазон. Для режекторного фильтра мы протестировали диапазон от 10 до 90 Гц, чтобы получить хорошее представление о том, как компонент реагирует на частоте около 60 Гц. Для фильтра нижних частот мы протестировали от 50 до 500 Гц, чтобы понять, как схема реагирует, когда она должна проходить, а когда должна останавливаться.

Шаг 5: Схема ЭКГ в LabView

Затем вы хотите создать блок-схему в LabView, которая имитирует сигнал ЭКГ через аналого-цифровой преобразователь, а затем отображает сигнал на компьютере. Мы начали с настройки параметров сигнала нашей платы сбора данных, определив, какую среднюю частоту сердечных сокращений мы ожидали; мы выбрали 60 ударов в минуту. Затем, используя частоту 1 кГц, мы смогли определить, что нам нужно отображать примерно 3 секунды, чтобы получить 2-3 пика ЭКГ на графике формы волны. Мы отображали 4 секунды, чтобы зафиксировать достаточное количество пиков ЭКГ. Блок-схема будет считывать входящий сигнал и использовать определение пика, чтобы определить, как часто происходит полное сердцебиение.

Шаг 6: ЭКГ и частота сердечных сокращений

Используя код из блок-схемы, ЭКГ появится в поле формы волны, а количество ударов в минуту будет отображаться рядом с ней. Теперь у вас есть работающий пульсометр! Чтобы испытать себя еще больше, попробуйте использовать схему и электроды для отображения частоты пульса в реальном времени!