Создайте свою собственную ЭКГ !: 10 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

Сердцебиение состоит из ритмических сокращений, регулируемых спонтанным проявлением электрической деполяризации в сердечных миоцитах (мышечных клетках сердца). Такая электрическая активность может быть зафиксирована путем размещения неинвазивных записывающих электродов в различных положениях тела. Даже при начальном понимании схемотехники и биоэлектричества эти сигналы можно относительно легко уловить. В этом руководстве мы представляем упрощенную методологию, которую можно использовать для захвата электрокардиографического сигнала с помощью практичного и недорогого оборудования. На всем протяжении мы будем выделять важные аспекты получения таких сигналов и представлять методы программного анализа сигналов.

Шаг 1. Обзор функций

Создаваемое вами устройство будет иметь следующие функции:

1. Электродные записи
2. Инструментальный усилитель
3. Режекторный фильтр
4. Фильтр нижних частот
5. Аналого-цифровое преобразование
6. Анализ сигналов с помощью LabView

Некоторые ключевые компоненты, которые вам понадобятся:

1. NI LabView
2. Плата сбора данных NI (для входов в LabView)
3. Источник питания постоянного тока (для питания операционных усилителей)
4. Накладки кожных электродов для записи электродов
5. ИЛИ функциональный генератор, который может создать смоделированный сигнал ЭКГ

Давайте начнем!

Шаг 2: разработка фильтра нижних частот

Нормальная ЭКГ содержит идентифицируемые особенности в форме волны сигнала, называемые зубцом P, комплексом QRS и зубцом T. Все функции ЭКГ будут отображаться в диапазоне частот ниже 250 Гц, поэтому при записи ЭКГ с электродов важно фиксировать только интересующие особенности. Фильтр нижних частот с частотой среза 250 Гц гарантирует, что в сигнале не будет улавливаться высокочастотный шум.

Шаг 3. Создайте режекторный фильтр

Режекторный фильтр с частотой 60 Гц полезен для удаления шума от любого источника питания, связанного с записью ЭКГ. Частоты среза между 56,5 Гц и 64 Гц позволят проходить сигналам с частотами за пределами этого диапазона. К фильтру применен коэффициент качества 8. Была выбрана емкость 0,1 мкФ. Подобраны экспериментальные резисторы: R1 = R3 = 1,5 кОм, R2 = 502 кОм. Эти значения были использованы для построения режекторного фильтра.

Шаг 4: спроектируйте инструментальный усилитель

Инструментальный усилитель с коэффициентом усиления 1000 В / В будет усиливать все отфильтрованные сигналы, чтобы упростить измерения. Усилитель использует серию операционных усилителей и разделен на два каскада (левый и правый) с соответствующими коэффициентами усиления K1 и K2. На изображении выше показана схема схемы, с помощью которой можно достичь этого результата, а на рисунке 6 подробно описаны сделанные расчеты.

Шаг 5: Соедините все вместе

Три стадии усиления и фильтрации объединены на Рисунке 7 ниже. Инструментальный усилитель усиливает входную синусоидальную частоту с коэффициентом усиления 1000 В / В. Затем режекторный фильтр удаляет все сигналы с частотой 60 Гц с коэффициентом качества 8. Наконец, сигнал проходит через фильтр нижних частот, который ослабляет сигналы выше частоты 250 Гц. На рисунке выше показана полная система, созданная экспериментально.

Шаг 6:… и убедитесь, что это работает

Если у вас есть функциональный генератор, вы должны построить кривую частотной характеристики, чтобы гарантировать правильный отклик. Изображение выше показывает полную систему и кривую частотной характеристики, которую вы должны ожидать. Если ваша система работает, то вы готовы перейти к следующему шагу: преобразованию аналогового сигнала в цифровой!

Шаг 7. (Необязательно) Визуализируйте свою ЭКГ на осциллографе

ЭКГ записывает сигнал с помощью двух электродов и использует третий электрод в качестве заземления. Подключите записывающие электроды ЭКГ один к одному входу инструментального усилителя, другой - к другому входу инструментального усилителя, а третий подключите к заземлению на макетной плате. Затем поместите один электрод на одно запястье, другой - на другое запястье, и прижмите к лодыжке. Это конфигурация отведения 1 для ЭКГ. Чтобы визуализировать сигнал на осциллографе, используйте пробник осциллографа для измерения выходного сигнала третьего каскада.

Шаг 8: Получение данных с помощью National Instruments DAQ

Если вы хотите проанализировать свой сигнал в LabView, вам понадобится способ собирать аналоговые данные с вашей ЭКГ и передавать их на компьютер. Есть много способов получить данные! National Instruments - компания, специализирующаяся на устройствах сбора данных и устройствах анализа данных. Это хорошее место для поиска инструментов для сбора данных. Вы также можете купить недорогой аналогово-цифровой преобразователь и использовать Raspberry Pi для передачи сигнала! Вероятно, это более дешевый вариант. В этом случае у нас уже есть модуль NI DAQ, NI ADC и LabView, поэтому мы остановились на аппаратном и программном обеспечении только National Instruments.

Шаг 9: Импортируйте данные в LabVIEW

Язык визуального программирования LabVIEW использовался для анализа данных, собранных с аналоговой системы усиления / фильтрации. Данные собирались из блока NI DAQ с помощью DAQ Assistant, встроенной функции сбора данных в LabVIEW. С помощью элементов управления LabView количество образцов и продолжительность сбора образцов задавались программно. Элементы управления настраиваются вручную, что позволяет пользователю легко настраивать параметры ввода. При известном общем количестве выборок и длительности времени был создан вектор времени, в котором каждое значение индекса представляло соответствующее время для каждой выборки в захваченном сигнале.

Шаг 10: отформатируйте, проанализируйте и готово

Данные из функции DAQ Assistant были преобразованы в пригодный для использования формат. Сигнал был воссоздан в виде одномерного массива двойников, сначала преобразовав тип выходных данных DAQ в тип данных сигнала, а затем преобразовав в кластеризованную пару двойников (X, Y). Каждое значение Y из пары (X, Y) было выбрано и вставлено в изначально пустой одномерный массив чисел двойной точности с помощью циклической структуры. Одномерный массив удвоений и соответствующий вектор времени были нанесены на график XY. Одновременно максимальное значение одномерного массива двойников было идентифицировано с помощью функции идентификации максимального значения. Шесть десятых максимального значения использовались в качестве порога для алгоритма обнаружения пиков, встроенного в LabView. Пиковые значения одномерного массива двойников были идентифицированы с помощью функции обнаружения пика. Зная местоположения пиков, была рассчитана разница во времени между каждым пиком. Эта разница во времени, выраженная в секундах на пик, была преобразована в пики в минуту. Считалось, что полученное значение представляет частоту сердечных сокращений в ударах в минуту.

Вот и все! Теперь вы собрали и проанализировали сигнал ЭКГ!