ЭКГ и монитор сердечного ритма: 7 шагов (с изображениями)

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.

Одним из наиболее важных диагностических инструментов, используемых для выявления этих состояний, является электрокардиограмма (ЭКГ). Электрокардиограмма работает, отслеживая электрический импульс через ваше сердце и передавая его обратно на машину [1]. Сигнал снимается с электродов, размещенных на теле. Размещение электродов имеет решающее значение для приема физиологических сигналов, поскольку они работают, регистрируя разность потенциалов по всему телу. Стандартное размещение электродов - использование треугольника Эйнтховена. Здесь один электрод помещается на правую руку, левую руку и левую ногу. Левая нога действует как заземление для электродов и улавливает частотный шум в теле. Правая рука имеет отрицательный электрод, а левая - положительный электрод для расчета разности потенциалов на груди и, следовательно, сбора электрической энергии от сердца [2]. Целью этого проекта было создание устройства, которое может успешно получать сигнал ЭКГ и четко воспроизвести сигнал без шума и с добавлением измерения частоты сердечных сокращений.

Шаг 1. Материалы и инструменты

• Различные резисторы и конденсаторы
• Макетная плата
• Генератор функций
• Осциллограф
• источник постоянного тока
• Операционные усилители
• Компьютер с установленным LABView
• Кабели BNC
• Помощник DAQ

Шаг 2: Создайте инструментальный усилитель

Для адекватного усиления биоэлектрического сигнала общее усиление двухкаскадного инструментального усилителя должно быть 1000. Каждый каскад умножается, чтобы получить общее усиление, и уравнения, используемые для расчета отдельных каскадов, показаны ниже.

Усиление 1-го уровня: K1 = 1 + 2 * R2 / R1 Усиление 2-го уровня: K2 = -R4 / R3

Используя приведенные выше уравнения, значения резисторов, которые мы использовали, были R1 = 10 кОм, R2 = 150 кОм, R3 = 10 кОм и R4 = 33 кОм. Чтобы гарантировать, что эти значения обеспечат желаемый выходной сигнал, вы можете смоделировать его в режиме онлайн или протестировать с помощью осциллографа после создания физического усилителя.

После подключения выбранных резисторов и операционных усилителей к макетной плате вам нужно будет запитать операционные усилители ± 15 В от источника постоянного тока. Затем подключите функциональный генератор ко входу инструментального усилителя, а осциллограф - к выходу.

На фото выше видно, как готовый инструментальный усилитель будет выглядеть на макетной плате. Чтобы убедиться, что он работает правильно, настройте генератор функций на создание синусоидальной волны на частоте 1 кГц с максимальной амплитудой 20 мВ. Выходной сигнал усилителя осциллографа должен иметь размах амплитуды 20 В, так как коэффициент усиления равен 1000, если он работает правильно.

Шаг 3. Создайте режекторный фильтр

Из-за шума линии электропередачи потребовался фильтр для фильтрации шума на частоте 60 Гц, который является шумом линии электропередачи в Соединенных Штатах. Режекторный фильтр использовался, поскольку он фильтрует определенную частоту. Для расчета номиналов резистора использовались следующие уравнения. Качественный коэффициент (Q), равный 8, работал хорошо, а емкость конденсатора 0,1 мкФ была выбрана для простоты конструкции. Частота в уравнениях (обозначенная как w) - это частота режекции 60 Гц, умноженная на 2π.

R1 = 1 / (2QwC)

R2 = 2Q / (wC)

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

Используя приведенные выше уравнения, значения резистора, которые мы использовали, были R1 = 1,5 кОм, R2 = 470 кОм и R3 = 1,5 кОм. Чтобы гарантировать, что эти значения обеспечат желаемый выходной сигнал, вы можете смоделировать его в режиме онлайн или протестировать с помощью осциллографа после создания физического усилителя.

На изображении выше показано, как готовый режекторный фильтр будет выглядеть на макете. Настройка операционных усилителей такая же, как и у инструментального усилителя, и теперь функциональный генератор должен быть настроен на создание синусоидальной волны на частоте 1 кГц с максимальной амплитудой 1 В. Если вы выполните развертку переменного тока, вы сможете убедиться, что частоты около 60 Гц отфильтрованы.

Шаг 4: Создайте фильтр нижних частот

Чтобы отфильтровать высокочастотный шум, не связанный с ЭКГ, был создан фильтр нижних частот с частотой среза 150 Гц.

R1 = 2 / (w [aC2 + sqrt (a2 + 4b (K-1)) C2 ^ 2-4b * C1 * C2)

R2 = 1 / (Ь * С1 * С2 * R1 * w ^ 2)

R3 = К (R1 + R2) / (К-1)

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

R4 = К (R1 + R2)

Используя приведенные выше уравнения, значения резисторов, которые мы использовали, были R1 = 12 кОм, R2 = 135 кОм, C1 = 0,01 мкФ и C2 = 0,068 мкФ. Значения для R3 и R4 в конечном итоге оказались равными нулю, поскольку мы хотели, чтобы коэффициент усиления K фильтра был равен нулю, поэтому здесь в физической установке мы использовали провода вместо резисторов. Чтобы гарантировать, что эти значения обеспечат желаемый выходной сигнал, вы можете смоделировать его в режиме онлайн или протестировать с помощью осциллографа после создания физического усилителя.

Чтобы построить физический фильтр, подключите выбранные резисторы и конденсаторы к операционному усилителю, как показано на схеме. Включите операционный усилитель и подключите функциональный генератор и осциллограф так же, как описано в предыдущих шагах. Настройте функциональный генератор на создание синусоидальной волны на частоте 150 Гц и с размахом амплитуды около 1 В. Поскольку частота среза должна быть 150 Гц, если фильтр работает правильно, величина на этой частоте должна быть 3 дБ. Это покажет вам, правильно ли настроен фильтр.

Шаг 5: соедините все компоненты вместе

После сборки каждого компонента и тестирования их по отдельности их все можно соединить последовательно. Подключите функциональный генератор ко входу инструментального усилителя, затем подключите его выход к входу режекторного фильтра. Сделайте это еще раз, подключив выход режекторного фильтра к входу фильтра нижних частот. Затем выход фильтра нижних частот должен быть подключен к осциллографу.

Шаг 6: Настройте LabVIEW

Затем регистрировали кривую сердечного ритма ЭКГ с помощью помощника DAQ и LabView. Помощник DAQ получает аналоговые сигналы и определяет параметры выборки. Подключите помощник DAQ к генератору функций, выдающему произвольный сердечный сигнал, и к компьютеру с LabView. Настройте LabView в соответствии со схемой, показанной выше. Ассистент DAQ вводит сердечную волну из генератора функций. Добавьте график формы волны в вашу настройку LabView, чтобы просмотреть график. Используйте числовые операторы, чтобы установить порог максимального значения. На показанной схеме было использовано 80%. Также следует использовать анализ пиков, чтобы найти местоположения пиков и связать их с изменением во времени. Умножьте пиковую частоту на 60, чтобы рассчитать количество ударов в минуту, и это число будет выведено рядом с графиком.

Шаг 7: Теперь вы можете записывать ЭКГ

[1] «Электрокардиограмма - Информационный центр сердца Техасского института сердца». [Онлайн]. Доступно: https://www.texasheart.org/HIC/Topics/Diag/diekg.cfm. [Доступ: 9 декабря 2017 г.].

[2] «Отведения ЭКГ, полярность и треугольник Эйнтховена - студент-физиолог». [Онлайн]. Доступно: https://thephysiologist.org/study-materials/the-ecg-leads-polarity-and-einthovens-triangle/. [Доступ: 10 декабря 2017 г.].