Κύκλωμα συλλογής ΗΚΓ: 5 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:38

ΠΡΟΣΟΧΗ: Δεν πρόκειται για ιατρική συσκευή. Αυτό είναι για εκπαιδευτικούς σκοπούς μόνο χρησιμοποιώντας προσομοιωμένα σήματα. Εάν χρησιμοποιείτε αυτό το κύκλωμα για πραγματικές μετρήσεις ΗΚΓ, βεβαιωθείτε ότι το κύκλωμα και οι συνδέσεις κυκλώματος-οργάνου χρησιμοποιούν κατάλληλες τεχνικές απομόνωσης

Perhapsσως η πιο διαδεδομένη φυσιολογική μέτρηση στη σημερινή βιομηχανία υγειονομικής περίθαλψης είναι το Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ/ΗΚΓ). Είναι δύσκολο να περπατήσετε μέσα από ένα νοσοκομείο ή ένα τμήμα επειγόντων περιστατικών χωρίς να ακούσετε το παραδοσιακό «μπιπ» ενός μόνιτορ καρδιακών παλμών ή να δείτε την κυματομορφή του ΗΚΓ να κυλά στην οθόνη του δωματίου ενός ασθενούς. Αλλά, ποια είναι αυτή η μέτρηση που έχει συσχετιστεί τόσο με τη σύγχρονη υγειονομική περίθαλψη;

Το ηλεκτροκαρδιογράφημα συχνά συγχέεται με την καταγραφή της φυσικής δραστηριότητας της καρδιάς, ωστόσο, όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι στην πραγματικότητα μια καταγραφή της ηλεκτρικής δραστηριότητας, της αποπόλωσης και της επαναπόλωσης, των μυών της καρδιάς. Αναλύοντας την καταγεγραμμένη κυματομορφή, οι γιατροί είναι σε θέση να αποκτήσουν εικόνα για τη συμπεριφορά του ηλεκτρικού συστήματος της καρδιάς. Μερικές κοινές διαγνώσεις που γίνονται από δεδομένα ΗΚΓ περιλαμβάνουν: έμφραγμα του μυοκαρδίου, πνευμονική εμβολή, αρρυθμίες και αποκλεισμούς AV.

Το παρακάτω Instructable θα σκιαγραφήσει τη διαδικασία και τις αρχές που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ενός βασικού ηλεκτρικού κυκλώματος που είναι σε θέση να συλλέξει ένα ΗΚΓ με τη χρήση απλών ηλεκτροδίων επιφανείας όπως γίνεται στα νοσοκομεία.

Βήμα 1: Σχεδιάστε έναν ενισχυτή οργάνων

Το πρώτο στοιχείο κυκλώματος που απαιτείται για την εγγραφή του σήματος ΗΚΓ είναι ένας ενισχυτής οργάνων. Αυτός ο ενισχυτής έχει δύο εφέ.

1. Δημιουργεί ένα ηλεκτρονικό buffer μεταξύ των ηλεκτροδίων εγγραφής και του υπόλοιπου κυκλώματος. Αυτό μειώνει την απαιτούμενη παροχή ρεύματος από τα ηλεκτρόδια στο μηδέν. Επιτρέπει τη συλλογή σήματος με πολύ μικρή παραμόρφωση που προκαλείται από τη σύνθετη αντίσταση εισόδου.

2. Ενισχύει διαφορικά το ηχογραφημένο σήμα. Αυτό σημαίνει ότι κάθε κοινό σήμα και στα δύο ηλεκτρόδια εγγραφής δεν θα ενισχυθεί, ενώ οι διαφορές (τα σημαντικά μέρη) θα είναι.

Συνήθως, οι εγγραφές ηλεκτροδίων επιφανείας για ΗΚΓ θα είναι στην περιοχή milliVolt. Επομένως, για να φτάσουμε αυτό το σήμα σε μια περιοχή που μπορούμε να δουλέψουμε με ενίσχυση (K) 1000 V/V θα είναι κατάλληλο.

Οι κυρίαρχες εξισώσεις για τον ενισχυτή που απεικονίζεται παραπάνω είναι:

K1 = 1 + 2*R2 / R1, αυτό είναι το κέρδος του σταδίου 1

K2 = - R4/R3, αυτό είναι το κέρδος του σταδίου 2

Σημειώστε ότι ιδανικά, τα Κ1 και Κ2 πρέπει να είναι περίπου ίσα και για να επιτευχθεί η επιθυμητή ενίσχυση Κ1 * Κ2 = 1000

Οι τελικές τιμές που χρησιμοποιήθηκαν στο κύκλωμά μας ήταν….

R1 = 6,5 kOhm

R2 = 100 kOhm

R3 = 3,17 kOhm

R4 = 100 kOhm

Βήμα 2: Σχεδιάζοντας ένα φίλτρο εγκοπών

Είναι πιθανό στον σύγχρονο κόσμο ότι η συλλογή του ΗΚΓ θα γίνει κοντά σε άλλες ηλεκτρονικές συσκευές, ή ακόμα και σε ένα κτίριο που τροφοδοτείται με ηλεκτρική ενέργεια από τοπικές γραμμές ρεύματος. Δυστυχώς, η υψηλή τάση και η ταλαντευόμενη φύση της παρεχόμενης ισχύος σημαίνει ότι θα παράγει μεγάλη ποσότητα ηλεκτρικού "θορύβου" σχεδόν σε κάθε αγώγιμο υλικό που βρίσκεται κοντά του. Αυτό περιλαμβάνει τα καλώδια και τα στοιχεία κυκλώματος που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του κυκλώματος συλλογής ΗΚΓ.

Για την καταπολέμηση αυτού, κάθε σήμα με συχνότητα ίση με εκείνη του θορύβου που παράγεται από την τοπική τροφοδοσία (που ονομάζεται κύριο βουητό) μπορεί απλά να φιλτραριστεί και ουσιαστικά να αφαιρεθεί. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, το ηλεκτρικό δίκτυο τροφοδοτεί 110-120V με συχνότητα 60 Hz. Επομένως, πρέπει να φιλτράρουμε οποιοδήποτε στοιχείο σήματος με συχνότητα 60 Hz. Ευτυχώς, αυτό έχει γίνει πολλές φορές στο παρελθόν και απλώς απαιτεί το σχεδιασμό ενός φίλτρου εγκοπών (στην εικόνα παραπάνω).

Οι εξισώσεις που διέπουν αυτό το φίλτρο είναι….

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

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

Q = w / B

όπου wc2 είναι η υψηλή συχνότητα διακοπής, w2 η χαμηλή συχνότητα διακοπής, w η συχνότητα διακοπής σε rad/sec και Q ένας παράγοντας ποιότητας

Σημειώστε ότι το C είναι μια τιμή που μπορεί να επιλεγεί ελεύθερα. Οι ακόλουθες τιμές που χρησιμοποιήθηκαν στο κύκλωμά μας ήταν:

R1 = 1,65 kOhm

R2 = 424,5 kOhm

Q = 8

w = 120 * pi rad/sec

Βήμα 3: Φίλτρο χαμηλής διέλευσης

Τα σήματα ΗΚΓ έχουν συχνότητα περίπου 0 - 150Hz. Προκειμένου να αποφευχθεί η σύνδεση περισσότερου θορύβου στο σήμα από πράγματα με υψηλότερη συχνότητα από αυτό το εύρος, εφαρμόστηκε ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης ButterWorth δεύτερης τάξης με αποκοπή 150Hz προκειμένου να επιτρέψει μόνο στο σήμα ΗΚΓ να περάσει μέσω του κυκλώματος. Αντί να επιλέξετε άμεσα μια άμεσα διαθέσιμη τιμή πυκνωτή, όπως τα προηγούμενα εξαρτήματα, η πρώτη τιμή πυκνωτή, C2, επιλέχθηκε με βάση τον τύπο που βρίσκεται παρακάτω. Από αυτήν την τιμή, όλες οι άλλες τιμές συστατικών θα μπορούσαν να υπολογιστούν και στη συνέχεια να προστεθούν στο κύκλωμα διατηρώντας το κέρδος ξανά στο 1V/V.

C2 ≈ 10/fc uf, όπου fc είναι η συχνότητα διακοπής (150 Hz για αυτήν την περίπτωση).

Στη συνέχεια, οι υπόλοιπες τιμές μπορούν να υπολογιστούν όπως φαίνεται στον πίνακα που περιλαμβάνεται ως δεύτερη εικόνα σε αυτό το βήμα.

Οι τελικές τιμές που χρησιμοποιήθηκαν για να τοποθετηθούν στο παραπάνω σχήμα είναι:

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22,47 kOhm

R2 = 22,56 kOhm

Βήμα 4: Προετοιμασία LabVIEW

Τα μόνα υλικά που απαιτούνται για αυτήν την ενότητα της συλλογής ΗΚΓ είναι ένας υπολογιστής Windows εξοπλισμένος με ένα αντίγραφο 64-bit του LabVIEW και ένα National Instruments Signal Conditioning Board () με μία μονάδα εισόδου. Το λειτουργικό μπλοκ διάγραμμα στο LabVIEW θα πρέπει στη συνέχεια να κατασκευαστεί με τον ακόλουθο τρόπο. Ξεκινήστε ανοίγοντας ένα κενό διάγραμμα λειτουργικού μπλοκ.

Εισαγάγετε ένα μπλοκ DAQ Assistant και προσαρμόστε τις ρυθμίσεις στα ακόλουθα:

Μέτρηση: Αναλογική → Τάση

Λειτουργία: RSE

Δειγματοληψία: Συνεχής δειγματοληψία

Συλλεγμένα δείγματα: 2500

Ποσοστό δειγματοληψίας: 1000 / δευτ

Εξάγετε τη συλλεγμένη κυματομορφή σε ένα γράφημα κυματομορφής. Επιπλέον, υπολογίστε τη μέγιστη τιμή των δεδομένων τρέχουσας κυματομορφής. Πολλαπλασιάστε τη μέγιστη τιμή του κύματος με μια τιμή όπως 0,8 για να δημιουργήσετε ένα όριο για την ανίχνευση αιχμής, αυτή η τιμή μπορεί να ρυθμιστεί με βάση το επίπεδο θορύβου στο σήμα. Τροφοδοτήστε το προϊόν του προηγούμενου βήματος ως κατώτατο όριο και τον πίνακα ακατέργαστης τάσης ως δεδομένα για τη λειτουργία "Peak Detection". Στη συνέχεια, πάρτε την έξοδο "Θέση" του πίνακα ανίχνευσης αιχμής και αφαιρέστε την πρώτη και τη δεύτερη τιμή. Αυτό αντιπροσωπεύει τη διαφορά στις τιμές δείκτη των δύο κορυφών στον αρχικό πίνακα. Αυτό μπορεί στη συνέχεια να μετατραπεί σε χρονική διαφορά διαιρώντας την τιμή με το ρυθμό δείγματος, για την περίπτωση αυτή είναι 1000 /sec. Τέλος, πάρτε το αντίστροφο αυτής της τιμής (δίνοντας Hz) και πολλαπλασιάστε με 60 για να λάβετε τον καρδιακό ρυθμό σε παλμούς ανά λεπτό BPM. Το τελικό μπλοκ διάγραμμα για αυτό θα πρέπει να μοιάζει με την εικόνα κεφαλίδας για αυτό το βήμα.

Βήμα 5: Ενσωμάτωση πλήρους συστήματος

Τώρα που όλα τα εξαρτήματα κατασκευάστηκαν ξεχωριστά, ήρθε η ώρα να συνδυάσουμε το εμπορικό κέντρο. Αυτό μπορεί να γίνει με απλή καλωδίωση της εξόδου ενός τμήματος στην είσοδο του επόμενου τμήματος. Τα στάδια θα πρέπει να καλωδιώνονται με την ίδια σειρά που εμφανίζονται σε αυτό το Οδηγό. Για το τελευταίο στάδιο, το φίλτρο ButterWorth, η είσοδός του πρέπει να προσαρτηθεί σε ένα από τα δύο καλώδια της μονάδας εισόδου της πλακέτας κλιματισμού σήματος. Το άλλο καλώδιο από αυτήν τη μονάδα πρέπει να συνδεθεί με τα κοινά κυκλώματα.

Για τον ενισχυτή οργάνων, οι δύο αγωγοί του πρέπει να συνδέονται το καθένα σε ηλεκτρόδιο ΗΚΓ/ΗΚΓ. Αυτό γίνεται εύκολα με τη χρήση δύο κλιπ αλιγάτορα. Στη συνέχεια, τοποθετήστε ένα ηλεκτρόδιο σε κάθε καρπό. Βεβαιωθείτε ότι όλα τα τμήματα του κυκλώματος είναι συνδεδεμένα και ότι το LabVIEW VI λειτουργεί και ότι το σύστημα πρέπει να βγάζει ένα γράφημα κυματομορφής στο παράθυρο LabVIEW.

Η έξοδος πρέπει να μοιάζει με τη δεύτερη εικόνα που παρέχεται σε αυτό το βήμα. Εάν δεν είναι παρόμοιο, οι τιμές του κυκλώματός σας μπορεί να χρειαστεί να προσαρμοστούν. Ένα κοινό ζήτημα είναι ότι το φίλτρο εγκοπών δεν θα κεντραριστεί απευθείας στα 60 Hz και μπορεί να είναι ελαφρώς έως υψηλό/χαμηλό. Αυτό μπορεί να δοκιμαστεί δημιουργώντας ένα διάγραμμα bode για το φίλτρο. Ιδανικά, το φίλτρο εγκοπής θα έχει εξασθένηση τουλάχιστον 20 dB στα 60 Hz. Μπορεί επίσης να είναι χρήσιμο να ελέγξετε ότι η τοπική τροφοδοσία παρέχεται στα 60 Hz. Δεν είναι ασυνήθιστο για ορισμένες περιοχές να έχουν παροχές AC 50 Hz, αυτό θα απαιτούσε να επικεντρωθεί το φίλτρο εγκοπών γύρω από αυτήν την τιμή.