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

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

Электрокардиограмма или ЭКГ - это очень старый метод измерения и анализа здоровья сердца. Сигнал, считываемый с ЭКГ, может указывать на здоровое сердце или на ряд проблем. Надежный и точный дизайн важен, потому что, если сигнал ЭКГ показывает искаженную форму волны или неправильное сердцебиение, человеку может быть поставлен неверный диагноз. Цель состоит в том, чтобы разработать схему ЭКГ, которая способна регистрировать, усиливать и фильтровать сигнал ЭКГ. Затем преобразуйте этот сигнал через аналого-цифровой преобразователь в Labview для создания графика в реальном времени и сердцебиения в BPM сигнала ЭКГ. Форма выходного сигнала должна выглядеть как это изображение.

«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: проектирование схемы

Схема должна иметь возможность получать и усиливать сигнал ЭКГ. Для этого мы объединим три активных фильтра; инструментальный усилитель, фильтр нижних частот Баттерворта второго порядка и режекторный фильтр. Конструкцию этих схем можно увидеть на изображениях. Мы пройдемся по ним по одному, а затем соберем их вместе, чтобы завершить полный цикл.

Шаг 2: инструментальный усилитель

Для получения хорошего сигнала коэффициент усиления инструментального усилителя должен составлять 1000 В / В. Усиление через инструментальный усилитель происходит в два этапа. Первый каскад состоит из двух ОУ слева и резистора R1 и R2, а второй каскад усиления состоит из ОУ справа и резисторов R3 и R4. Коэффициент усиления (усиление) для каскада 1 и каскада 2 дан в уравнениях (1) и (2).

Уровень усиления 1: K1 = 1 + (2R2 / R1) (1)

Этап 2 Усиление: K2 = R4 / R3 (2)

Важное замечание относительно усиления в схемах - это то, что коэффициент усиления является мультипликативным; например коэффициент усиления всей схемы на Рисунке 2 составляет K1 * K2. Эти уравнения дают значения, показанные на схеме. Для этого фильтра необходимы три ОУ LM741, три резистора 1 кОм, два резистора 24,7 кОм и два резистора 20 кОм.

Шаг 3: режекторный фильтр

Следующим этапом является режекторный фильтр для подавления шума на частоте 60 Гц. Эту частоту необходимо вырезать, потому что на частоте 60 Гц возникает много дополнительных шумов из-за помех от линии электропередачи, но это не повлияет на сигнал ЭКГ. Значения для компонентов, используемых в схеме, основаны на частоте, которую вы хотите отфильтровать, в данном случае 60 Гц (377 рад / с). Компонентные уравнения следующие

R1 = 1 / (6032 * С)

R2 = 16 / (377 * С)

R3 = (R1R2) / (R1 + R2)

Для этого потребовались один операционный усилитель LM741, три резистора номиналом 1658 Ом, 424,4 кОм и 1651 Ом и 3 конденсатора, два на 100 нФ и один на 200 нФ.

Шаг 4: фильтр низких частот

Последний этап - это фильтр нижних частот Баттерворта второго порядка с частотой среза 250 Гц. Это частота среза, потому что диапазон сигнала ЭКГ составляет максимум 250 Гц. Уравнения для значений компонентов в фильтре определены в следующих уравнениях:

R1 = 2 / (1571 (1.4C2 + sort (1.4 ^ 2 * C2 ^ 2 - 4C1C2)))

R2 = 1 / (1571 * C1 * C2 * R1)

С1 <(С2 * 1,4 ^ 2) / 4

Для этого фильтра потребовались один операционный усилитель LM741, два резистора на 15,3 и 25,6 кОм, а также два конденсатора на 47 и 22 нФ.

После того, как все три этапа спроектированы и построены, окончательная схема должна выглядеть, как на фотографии.

Шаг 5: Тестирование схемы

После того, как схема построена, ее необходимо протестировать, чтобы убедиться, что она работает должным образом. Развертка переменного тока должна выполняться на каждом фильтре с использованием сердечного входного сигнала с частотой 1 Гц от генератора напряжения. Отклик амплитуды в дБ должен выглядеть, как на изображениях. Если результаты развертки переменного тока верны, схема закончена и готова к использованию. Если ответы неверны, необходимо отладить схему. Начните с проверки всех подключений и входов питания, чтобы убедиться, что все подключено хорошо. Если это не решает проблему, используйте уравнения для компонентов фильтров, чтобы отрегулировать значения резисторов и конденсаторов по мере необходимости, пока выходной сигнал не станет там, где он должен быть.

Шаг 6: Создание VUI в Labview

Labview - это программное обеспечение для сбора цифровых данных, которое позволяет пользователю разрабатывать VUI или виртуальный пользовательский интерфейс. Плата DAQ - это аналого-цифровой преобразователь, который может преобразовывать и передавать сигнал ЭКГ в Labview. С помощью этого программного обеспечения сигнал ЭКГ может быть нанесен на график зависимости амплитуды от времени для четкого считывания сигнала и последующего преобразования сигнала в сердцебиение в ударах в минуту. Первое, что для этого требуется, - это плата сбора данных, которая собирает данные и преобразует их в цифровой сигнал для отправки в Labview на компьютере. Первое, что нужно было добавить в конструкцию Labview, - это DAQ Assistant, который получает сигнал от платы DAQ и определяет параметры выборки. Следующим шагом является подключение графика формы волны к выходу помощника DAQ в дизайне VUI, который отображает сигнал ЭКГ, показывающий форму волны ЭКГ. Теперь, когда график формы волны завершен, данные также необходимо преобразовать для получения числового вывода частоты сердечных сокращений. Первым шагом в этом вычислении было нахождение максимума данных ЭКГ путем подключения элемента max / min к выходу данных DAQ в VUI, а затем вывода его на другой элемент, называемый пиковым обнаружением, и с элементом, который найдет изменение во времени называется dt. Элемент обнаружения пика также нуждался в пороге от максимума / минимума, который был рассчитан путем взятия максимума из элемента max min и его умножения на 0,8, чтобы найти 80% максимального значения, а затем ввести его в элемент обнаружения пика. Этот порог позволил элементу обнаружения пика найти максимум зубца R и место, в котором он возник, при игнорировании других пиков сигнала. Затем местоположения пиков были отправлены в элемент массива индексов, добавленный следующим в VUI. Элемент массива индексов был настроен для хранения в массиве с индексом, начинающимся с 0, а затем другим, начиная с индекса 1. Затем они были вычтены друг из друга, чтобы найти разницу между двумя точками пика, которая соответствует числу точек между каждым пиком. Количество точек, умноженное на разницу во времени между каждой точкой, дает время, необходимое для возникновения каждого удара. Это было достигнуто путем умножения выходных данных элемента dt и выходных данных вычитания двух массивов. Затем это число было разделено на 60, чтобы найти количество ударов в минуту, а затем выведено с помощью элемента числового индикатора на VUI. Настройка дизайна VUI в Labview показана на рисунке.

Шаг 7. Соберите все вместе

Как только VUI завершен в Labview, последним шагом является подключение схемы к плате сбора данных, чтобы сигнал проходил через схему на плату, а затем в Labview. Если все работает правильно, сигнал с частотой 1 Гц должен давать форму волны, показанную на рисунке, и частоту сердцебиения 60 ударов в минуту. Теперь у вас есть работающий цифровой монитор ЭКГ и пульса.