Απλό ECG Circuit and LabVIEW Heart Rate Program: 6 βήματα

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

Το Ηλεκτροκαρδιογράφημα, ή περαιτέρω αναφερόμενο ως ΗΚΓ, είναι ένα εξαιρετικά ισχυρό σύστημα διάγνωσης και παρακολούθησης που χρησιμοποιείται σε όλες τις ιατρικές πρακτικές. Τα ΗΚΓ χρησιμοποιούνται για την παρατήρηση της ηλεκτρικής δραστηριότητας της καρδιάς γραφικά για τον έλεγχο ανωμαλιών στον καρδιακό ρυθμό ή την ηλεκτρική σηματοδότηση.

Από μια ανάγνωση ΗΚΓ, ο καρδιακός ρυθμός των ασθενών μπορεί να προσδιοριστεί από το χρονικό διάστημα μεταξύ των συμπλεγμάτων QRS. Επιπλέον, μπορούν να ανιχνευθούν άλλες ιατρικές καταστάσεις, όπως εκκρεμεί καρδιακή προσβολή από ανύψωση τμήματος ST. Ανάγνωση όπως αυτό μπορεί να είναι ζωτικής σημασίας για τη σωστή διάγνωση και θεραπεία του ασθενούς. Το κύμα Ρ δείχνει τη συστολή του κόλπου της καρδιάς, η καμπύλη QRS είναι η κοιλιακή σύσπαση και το κύμα Τ είναι η επαναπόλωση της καρδιάς. Η γνώση ακόμη και απλών πληροφοριών όπως αυτή μπορεί να διαγνώσει γρήγορα τους ασθενείς για μη φυσιολογική καρδιακή λειτουργία.

Ένα τυπικό ΗΚΓ που χρησιμοποιείται στην ιατρική πρακτική έχει επτά ηλεκτρόδια που τοποθετούνται σε ένα ήπιο ημικυκλικό μοτίβο γύρω από την κάτω περιοχή της καρδιάς. Αυτή η τοποθέτηση ηλεκτροδίων επιτρέπει ελάχιστο θόρυβο κατά την εγγραφή και επίσης επιτρέπει πιο συνεπείς μετρήσεις. Για τον σκοπό μας του δημιουργημένου κυκλώματος ΗΚΓ, θα χρησιμοποιήσουμε μόνο τρία ηλεκτρόδια. Το ηλεκτρόδιο θετικής εισόδου θα τοποθετηθεί στον δεξιό εσωτερικό καρπό, το αρνητικό ηλεκτρόδιο εισόδου θα τοποθετηθεί στον αριστερό εσωτερικό καρπό και το ηλεκτρόδιο γείωσης θα συνδεθεί με τον αστράγαλο. Αυτό θα επιτρέψει τη λήψη μετρήσεων σε όλη την καρδιά με σχετική ακρίβεια. Με αυτήν την τοποθέτηση ηλεκτροδίων συνδεδεμένων με ενισχυτή οργάνων, φίλτρο χαμηλής διέλευσης και φίλτρο εγκοπών, οι κυματομορφές του ΗΚΓ θα πρέπει να διακρίνονται εύκολα ως σήμα εξόδου από το δημιουργημένο κύκλωμα.

ΣΗΜΕΙΩΣΗ: 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

Βήμα 1: Κατασκευάστε ενισχυτή οργάνων

Για να κατασκευαστεί ένα όργανο πολλαπλών σταδίων με κέρδος 1000 ή 60 dB, θα πρέπει να εφαρμοστεί η ακόλουθη εξίσωση.

Κέρδος = (1+2*R1/Rgain)

Το R1 είναι ίσο με όλες τις αντιστάσεις που χρησιμοποιούνται στον ενισχυτή οργάνων εκτός από την αντίσταση κέρδους, η οποία κατά μια έννοια θα προκαλέσει τη συμμετοχή όλου του κέρδους στο πρώτο στάδιο του ενισχυτή. Αυτό επιλέχθηκε να είναι 50,3 kΩ. Για να υπολογίσετε την αντίσταση κέρδους, αυτή η τιμή συνδέεται στην παραπάνω εξίσωση.

1000 = (1+2*50300/Επανάληψη)

Κέρδος = 100,7

Αφού υπολογιστεί αυτή η τιμή, ο ενισχυτής οργάνων μπορεί να κατασκευαστεί ως το ακόλουθο κύκλωμα που φαίνεται σε αυτό το βήμα. Τα OP/AMP πρέπει να τροφοδοτούνται με θετικά και αρνητικά 15 βολτ, όπως φαίνεται στο διάγραμμα κυκλώματος. Οι πυκνωτές παράκαμψης για κάθε OP/AMP πρέπει να τοποθετούνται κοντά στο OP/AMP σε σειρά με την παροχή ρεύματος να μειώνει κάθε σήμα εναλλασσόμενου ρεύματος που προέρχεται από την πηγή ισχύος στη γείωση για να αποτρέψει το τηγάνισμα των OP/AMP και τυχόν επιπλέον θόρυβο που μπορεί να συμβάλει στο σήμα. Επίσης, για να ελέγξετε το πραγματικό κέρδος των κυκλωμάτων, στον θετικό κόμβο ηλεκτροδίου θα πρέπει να δοθεί ένα ημιτονοειδές κύμα και ο αρνητικός κόμβος ηλεκτροδίου θα πρέπει να συνδεθεί με τη γείωση. Αυτό θα επιτρέψει να φανεί επακριβώς το κέρδος του κυκλώματος με σήμα εισόδου μικρότερο από 15 mV κορυφή σε κορυφή.

Βήμα 2: Δημιουργήστε το φίλτρο χαμηλής διέλευσης 2ης τάξης

Ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης 2ης τάξης χρησιμοποιήθηκε για την απομάκρυνση θορύβου πάνω από τη συχνότητα ενδιαφέροντος για το σήμα ΗΚΓ που ήταν 150 Hz.

Η τιμή Κ που χρησιμοποιείται στους υπολογισμούς για το φίλτρο χαμηλής διέλευσης 2ης τάξης είναι το κέρδος. Επειδή δεν θέλουμε κανένα κέρδος στο φίλτρο μας, επιλέξαμε μια τιμή κέρδους 1 που σημαίνει ότι η τάση εισόδου θα είναι ίση με την τάση εξόδου.

Κ = 1

Για φίλτρο Butterworth δεύτερης τάξης που θα χρησιμοποιηθεί για αυτό το κύκλωμα, οι συντελεστές a και b ορίζονται παρακάτω. α = 1,414214 β = 1

Πρώτον, η δεύτερη τιμή πυκνωτή επιλέγεται να είναι ένας σχετικά μεγάλος πυκνωτής που είναι άμεσα διαθέσιμος στο εργαστήριο και στον πραγματικό κόσμο.

C2 = 0,1 F

Για τον υπολογισμό του πρώτου πυκνωτή, χρησιμοποιούνται οι ακόλουθες σχέσεις μεταξύ αυτού και του δεύτερου πυκνωτή. Οι συντελεστές Κ, α και β συνδέθηκαν στην εξίσωση για να υπολογίσουν ποια πρέπει να είναι αυτή η τιμή.

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

C1 <= (0.1*10^-6 [1.414214^2+4*1 (1-1)]/4*1

C1 <= 50 nF

Επειδή ο πρώτος πυκνωτής υπολογίζεται ότι είναι μικρότερος ή ίσος με 50 nF, επιλέχθηκε η ακόλουθη τιμή πυκνωτή.

C1 = 33 nF

Για τον υπολογισμό της πρώτης αντίστασης που απαιτείται για αυτό το φίλτρο χαμηλής διέλευσης δεύτερης τάξης με συχνότητα διακοπής 150 Hz, η ακόλουθη εξίσωση λύθηκε χρησιμοποιώντας τόσο τις υπολογισμένες τιμές πυκνωτή όσο και τους συντελεστές K, a και b. R1 = 2/[(συχνότητα διακοπής)*[aC2*sqrt ([(a^2+4b (K-1)) C2^2-4bC1C2])]

R1 = 9478 Ohm

Για τον υπολογισμό της δεύτερης αντίστασης, χρησιμοποιήθηκε η ακόλουθη εξίσωση. Η συχνότητα διακοπής είναι και πάλι 150 Hz και ο συντελεστής b είναι 1.

R2 = 1/[bC1C2R1 (συχνότητα διακοπής)^2]

R2 = 35,99 kOhm Αφού υπολογίσετε τις παραπάνω τιμές για τις αντιστάσεις και τους πυκνωτές που χρειάζονται για ένα φίλτρο εγκοπής δεύτερης τάξης, δημιουργήθηκε το ακόλουθο κύκλωμα για να δείξει το ενεργό φίλτρο χαμηλής διέλευσης που θα χρησιμοποιηθεί. Το OP/AMP τροφοδοτείται με θετικά και αρνητικά 15 βολτ όπως φαίνεται στο διάγραμμα. Οι πυκνωτές παράκαμψης συνδέονται με τις πηγές ενέργειας, έτσι ώστε κάθε σήμα AC που βγαίνει από την πηγή να εκτρέπεται στη γείωση για να διασφαλιστεί ότι το OP/AMP δεν θα τηγανιστεί από αυτό το σήμα. Για να ελέγξετε αυτό το στάδιο του κυκλώματος ΗΚΓ, ο κόμβος σήματος εισόδου πρέπει να είναι συνδεδεμένος με ένα ημιτονοειδές κύμα και πρέπει να πραγματοποιηθεί σάρωση AC από 1 Hz έως 200 Hz για να δείτε πώς λειτουργεί το φίλτρο.

Βήμα 3: Δημιουργήστε το φίλτρο εγκοπών

Το φίλτρο εγκοπών είναι ένα εξαιρετικά σημαντικό μέρος πολλών κυκλωμάτων για τη μέτρηση σημάτων χαμηλής συχνότητας. Σε χαμηλές συχνότητες, ο θόρυβος AC 60 Hz είναι εξαιρετικά συνηθισμένος καθώς είναι η συχνότητα του ρεύματος AC που διατρέχει κτίρια στις Ηνωμένες Πολιτείες. Αυτός ο θόρυβος 60 Hz είναι άβολος καθώς βρίσκεται στη μέση της ζώνης διέλευσης για το ΗΚΓ, αλλά ένα φίλτρο εγκοπών μπορεί να αφαιρέσει συγκεκριμένες συχνότητες διατηρώντας παράλληλα το υπόλοιπο σήμα. Κατά το σχεδιασμό αυτού του φίλτρου εγκοπών, είναι πολύ σημαντικό να έχετε έναν συντελεστή υψηλής ποιότητας, Q, για να διασφαλίσετε ότι η αποκοπή της αποκοπής είναι απότομη γύρω από το σημείο ενδιαφέροντος. Παρακάτω αναφέρονται λεπτομερώς οι υπολογισμοί που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ενός ενεργού φίλτρου εγκοπής που θα χρησιμοποιηθεί στο κύκλωμα ΗΚΓ.

Πρώτα η συχνότητα ενδιαφέροντος, 60 Hz πρέπει να μετατραπεί από Hz σε rad/s.

συχνότητα = 2*pi*συχνότητα

συχνότητα = 376,99 rad/δευτερόλεπτο

Στη συνέχεια, πρέπει να υπολογιστεί το εύρος ζώνης της κοπής συχνοτήτων. Αυτές οι τιμές καθορίζονται με τρόπο που διασφαλίζει ότι η κύρια συχνότητα ενδιαφέροντος, 60 Hz, είναι εντελώς αποκομμένη και μόνο μερικές συχνότητες που επηρεάζουν επηρεάζονται ελαφρώς.

Εύρος ζώνης = Cutoff2-Cutoff1

Εύρος ζώνης = 37.699 Ο συντελεστής ποιότητας πρέπει να καθοριστεί στη συνέχεια. Ο συντελεστής ποιότητας καθορίζει πόσο απότομη είναι η εγκοπή και πόσο στενή ξεκινά η διακοπή. Αυτό υπολογίζεται χρησιμοποιώντας το εύρος ζώνης και τη συχνότητα ενδιαφέροντος. Q = συχνότητα/πλάτος ζώνης

Q = 10

Για αυτό το φίλτρο επιλέγεται μια άμεσα διαθέσιμη τιμή πυκνωτή. Ο πυκνωτής δεν χρειάζεται να είναι μεγάλος και σίγουρα δεν πρέπει να είναι πολύ μικρός.

C = 100 nF

Για τον υπολογισμό της πρώτης αντίστασης που χρησιμοποιήθηκε σε αυτό το φίλτρο ενεργής εγκοπής, χρησιμοποιήθηκε η ακόλουθη σχέση που περιλαμβάνει τον παράγοντα ποιότητας, τη συχνότητα ενδιαφέροντος και τον επιλεγμένο πυκνωτή.

R1 = 1/[2QC*συχνότητα]

R1 = 1326,29 Ohm

Η δεύτερη αντίσταση που χρησιμοποιείται σε αυτό το φίλτρο υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την ακόλουθη σχέση.

R2 = 2Q/[συχνότητα*C]

R2 = 530516 Ohm

Η τελική αντίσταση για αυτό το φίλτρο υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τις δύο προηγούμενες τιμές αντίστασης. Αναμένεται να είναι πολύ παρόμοια με την πρώτη αντίσταση που υπολογίστηκε.

R3 = R1*R2/[R1+R2]

R3 = 1323 Ohm

Αφού υπολογιστούν όλες οι τιμές των συστατικών χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις που περιγράφηκαν παραπάνω, το ακόλουθο φίλτρο εγκοπής θα πρέπει να κατασκευαστεί για να φιλτράρει με ακρίβεια τον θόρυβο AC 60 Hz που θα διαταράξει το σήμα ΗΚΓ. Το OP/AMP πρέπει να τροφοδοτείται με θετικά και αρνητικά 15 βολτ, όπως φαίνεται στο παρακάτω κύκλωμα. Οι πυκνωτές παράκαμψης συνδέονται από τις πηγές ενέργειας στο OP/AMP έτσι ώστε κάθε σήμα εναλλασσόμενου ρεύματος που προέρχεται από την πηγή ισχύος να εκτρέπεται στη γείωση για να διασφαλιστεί ότι το OP/AMP δεν τηγανίζεται. Για να δοκιμάσετε αυτό το τμήμα του κυκλώματος, το σήμα εισόδου θα πρέπει να συνδέεται με ημιτονοειδές κύμα και να πραγματοποιείται σάρωση εναλλασσόμενου ρεύματος από 40 Hz έως 80 Hz για να δει το φιλτράρισμα του σήματος 60 Hz.

Βήμα 4: Δημιουργήστε ένα πρόγραμμα LabVIEW για τον υπολογισμό του καρδιακού ρυθμού

Το LabVIEW είναι ένα χρήσιμο εργαλείο για την εκτέλεση οργάνων καθώς και τη συλλογή δεδομένων. Για τη συλλογή δεδομένων ΗΚΓ, χρησιμοποιείται ένας πίνακας DAQ ο οποίος θα διαβάζει τάσεις εισόδου με ρυθμό δειγματοληψίας 1 kHz. Αυτές οι τάσεις εισόδου εξάγονται στη συνέχεια σε μια γραφική παράσταση που χρησιμοποιείται για την εμφάνιση της εγγραφής ΗΚΓ. Τα δεδομένα που συλλέγονται στη συνέχεια περνούν από ένα μέγιστο εύρημα που εξάγει τις μέγιστες τιμές που διαβάζονται. Αυτές οι τιμές επιτρέπουν τον υπολογισμό ενός ανώτατου ορίου στο 98% των μέγιστων εξόδων. Μετά, ένας ανιχνευτής αιχμής χρησιμοποιείται για να καθορίσει πότε τα δεδομένα είναι μεγαλύτερα από αυτό το όριο. Αυτά τα δεδομένα μαζί με το χρόνο μεταξύ των κορυφών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό του καρδιακού ρυθμού. Αυτός ο απλός υπολογισμός θα καθορίσει με ακρίβεια τον καρδιακό ρυθμό από τις τάσεις εισόδου που διαβάζει ο πίνακας DAQ.

Βήμα 5: Δοκιμή

Αφού κατασκευάσετε τα κυκλώματά σας, είστε έτοιμοι να τα θέσετε σε λειτουργία! Πρώτον, κάθε στάδιο πρέπει να ελέγχεται με εναλλασσόμενο ρεύμα συχνοτήτων από 0,05 Hz έως 200 Hz. Η τάση εισόδου δεν πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 15 mV κορυφή σε κορυφή, έτσι ώστε το σήμα να μην κινείται από τους περιορισμούς OP/AMP. Στη συνέχεια, συνδέστε όλα τα κυκλώματα και εκτελέστε ξανά μια πλήρη σάρωση AC για να βεβαιωθείτε ότι όλα λειτουργούν σωστά. Αφού είστε ικανοποιημένοι με την έξοδο του πλήρους κυκλώματος, ήρθε η ώρα να συνδεθείτε με αυτό. Τοποθετήστε το θετικό ηλεκτρόδιο στον δεξιό καρπό σας και το αρνητικό ηλεκτρόδιο στον αριστερό καρπό σας. Βάλτε το ηλεκτρόδιο γείωσης στον αστράγαλο σας. Συνδέστε την έξοδο ολόκληρου του κυκλώματος στην πλακέτα DAQ και εκτελέστε το πρόγραμμα LabVIEW. Το σήμα ΗΚΓ σας θα πρέπει τώρα να είναι ορατό στο γράφημα κυματομορφής στον υπολογιστή. Εάν δεν είναι ή παραμορφωθεί, δοκιμάστε να μειώσετε το κέρδος του κυκλώματος σε περίπου 10, αλλάζοντας ανάλογα την αντίσταση κέρδους. Αυτό θα επιτρέψει την ανάγνωση του σήματος από το πρόγραμμα LabVIEW.