Απλό κύκλωμα εγγραφής ΗΚΓ και όργανο ελέγχου καρδιακού ρυθμού LabVIEW: 5 βήματα

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

Αυτό δεν είναι 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

Μία από τις πιο θεμελιώδεις πτυχές της σύγχρονης υγειονομικής περίθαλψης, είναι η ικανότητα λήψης καρδιακού κύματος χρησιμοποιώντας ΗΚΓ ή ηλεκτροκαρδιογράφημα. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιεί ηλεκτρόδια επιφάνειας για τη μέτρηση των διαφόρων ηλεκτρικών μοτίβων που εκπέμπονται από την καρδιά, έτσι ώστε η έξοδος να μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως διαγνωστικό εργαλείο για τη διάγνωση παθήσεων της καρδιάς και των πνευμόνων, όπως διάφορες μορφές ταχυκαρδίας, αποκλεισμού κλάδων και υπερτροφίας. Για τη διάγνωση αυτών των καταστάσεων, η κυματομορφή εξόδου συγκρίνεται με ένα κανονικό σήμα ΗΚΓ.

Προκειμένου να δημιουργηθεί ένα σύστημα που μπορεί να λάβει την κυματομορφή του ΗΚΓ, το σήμα πρέπει πρώτα να ενισχυθεί και στη συνέχεια να φιλτραριστεί κατάλληλα για την απομάκρυνση του θορύβου. Για να γίνει αυτό, μπορεί να δημιουργηθεί κύκλωμα τριών σταδίων χρησιμοποιώντας ενισχυτές OP.

Αυτό το Εγχειρίδιο θα παρέχει τις απαραίτητες πληροφορίες για το σχεδιασμό και στη συνέχεια την κατασκευή ενός απλού κυκλώματος ικανό να καταγράψει ένα σήμα ΗΚΓ χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια επιφάνειας και στη συνέχεια να φιλτράρει αυτό το σήμα για περαιτέρω επεξεργασία και ανάλυση. Επιπλέον, αυτό το Instructable θα σκιαγραφήσει μια τεχνική που χρησιμοποιείται για την ανάλυση αυτού του σήματος προκειμένου να δημιουργηθεί μια γραφική αναπαράσταση της εξόδου κυκλώματος, καθώς και μια μέθοδος υπολογισμού του καρδιακού ρυθμού από την έξοδο κυκλώματος κυματομορφής ΗΚΓ.

Σημείωση: κατά το σχεδιασμό κάθε σταδίου, φροντίστε να εκτελέσετε σάρωση AC τόσο πειραματικά, όσο και μέσω προσομοιώσεων για να διασφαλίσετε την επιθυμητή συμπεριφορά κυκλώματος.

Βήμα 1: Σχεδιάστε και κατασκευάστε τον ενισχυτή οργάνων

Το πρώτο στάδιο σε αυτό το κύκλωμα ΗΚΓ είναι ένας ενισχυτής οργάνων, ο οποίος αποτελείται από τρεις ενισχυτές OP. Οι δύο πρώτοι ενισχυτές OP είναι ρυθμισμένες εισόδους, οι οποίες στη συνέχεια τροφοδοτούνται σε έναν τρίτο ενισχυτή OP που λειτουργεί ως διαφορικός ενισχυτής. Τα σήματα από το σώμα πρέπει να ρυθμιστούν ή αλλιώς η έξοδος θα μειωθεί καθώς το σώμα δεν μπορεί να παρέχει πολύ ρεύμα. Ο διαφορικός ενισχυτής λαμβάνει τη διαφορά μεταξύ των δύο πηγών εισόδου για να παρέχει μια μετρήσιμη διαφορά δυναμικού, ενώ ταυτόχρονα ακυρώνει τον κοινό θόρυβο. Αυτό το στάδιο έχει επίσης κέρδος 1000, ενισχύοντας το τυπικό mV σε πιο ευανάγνωστη τάση.

Το κέρδος κυκλώματος 1000 για τον ενισχυτή οργάνων υπολογίζεται με τις εξισώσεις που φαίνονται. Το κέρδος σταδίου 1 του ενισχυτή οργάνων υπολογίζεται με (2) και το κέρδος σταδίου 2 του ενισχυτή οργάνων υπολογίζεται με (3). Τα Κ1 και Κ2 υπολογίστηκαν έτσι ώστε να μην διαφέρουν μεταξύ τους περισσότερο από μια τιμή 15.

Για κέρδος 1000, το Κ1 θα μπορούσε να οριστεί σε 40 και το Κ2 θα μπορούσε να οριστεί σε 25. Οι τιμές αντίστασης μπορούν να υπολογιστούν όλες, αλλά ο συγκεκριμένος ενισχυτής οργάνων χρησιμοποίησε τις παρακάτω τιμές αντίστασης:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

Βήμα 2: Σχεδιάστε και κατασκευάστε το φίλτρο εγκοπών

Το επόμενο στάδιο είναι ένα φίλτρο εγκοπών για την αφαίρεση του σήματος 60 Hz που προέρχεται από την πρίζα.

Στο φίλτρο εγκοπών, η τιμή αντίστασης του R1 υπολογίζεται κατά (4), η τιμή του R2 κατά (5) και η τιμή του R3 κατά (6). Ο συντελεστής ποιότητας του κυκλώματος, Q, έχει οριστεί σε 8 επειδή αυτό δίνει ένα λογικό περιθώριο σφάλματος ενώ είναι ρεαλιστικά ακριβές. Η τιμή Q μπορεί να υπολογιστεί με (7). Η τελευταία εξίσωση που διέπει το φίλτρο εγκοπής χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του εύρους ζώνης και περιγράφεται με το (8). Εκτός από τον συντελεστή ποιότητας 8, το φίλτρο εγκοπής είχε άλλες σχεδιαστικές προδιαγραφές. Αυτό το φίλτρο έχει σχεδιαστεί για να έχει κέρδος 1 έτσι ώστε να μην αλλοιώνει το σήμα, ενώ αφαιρεί το σήμα 60 Hz.

Σύμφωνα με αυτές τις εξισώσεις, R1 = 11.0524 kΩ, R2 = 2.829 MΩ, R3 = 11.009 kΩ και C1 = 15 nF

Βήμα 3: Σχεδιάστε και κατασκευάστε το φίλτρο χαμηλής διέλευσης Butterworth 2ης τάξης

Το τελευταίο στάδιο, είναι ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης για την αφαίρεση όλων των σημάτων που μπορεί να εμφανιστούν πάνω από την υψηλότερη συχνότητα ενός κύματος ΗΚΓ, όπως ο θόρυβος WiFi και άλλα σήματα περιβάλλοντος που μπορεί να αποσπούν την προσοχή από το σήμα που μας ενδιαφέρει. Το σημείο -3dB για αυτό το στάδιο θα πρέπει να είναι περίπου ή κοντά στα 150 Hz, αφού το τυπικό εύρος σημάτων που υπάρχουν σε ένα κύμα ΗΚΓ κυμαίνεται από 0,05 Hz έως 150 Hz.

Κατά τον σχεδιασμό του φίλτρου χαμηλής διέλευσης δεύτερης τάξης Butterworth, το κύκλωμα έχει πάλι ρυθμιστεί να έχει κέρδος 1, το οποίο επέτρεψε μια πιο απλή σχεδίαση κυκλώματος. Πριν από περαιτέρω υπολογισμούς, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η επιθυμητή συχνότητα διακοπής του φίλτρου χαμηλής διέλευσης έχει οριστεί στα 150 Hz. Είναι πιο εύκολο να ξεκινήσετε υπολογίζοντας την τιμή του πυκνωτή 2, C2, καθώς άλλες εξισώσεις εξαρτώνται από αυτήν την τιμή. Το C2 μπορεί να υπολογιστεί με (9). Με βάση τον υπολογισμό του C2, το C1 μπορεί να υπολογιστεί με (10). Στην περίπτωση αυτού του φίλτρου χαμηλής διέλευσης, οι συντελεστές a και b ορίζονται όπου a = 1.414214, και b = 1. Η τιμή αντίστασης του R1 υπολογίζεται με (11) και η τιμή αντίστασης του R2 υπολογίζεται με (12) Το

Χρησιμοποιήθηκαν οι ακόλουθες τιμές:

R1 = 13,842kΩ

R2 = 54,36kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

Βήμα 4: Ρυθμίστε το πρόγραμμα LabVIEW που χρησιμοποιείται για την απόκτηση και ανάλυση δεδομένων

Στη συνέχεια, το πρόγραμμα υπολογιστών LabView μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία μιας εργασίας που θα δημιουργήσει μια γραφική αναπαράσταση του καρδιακού παλμού από ένα σήμα ΗΚΓ και θα υπολογίσει τον καρδιακό ρυθμό από το ίδιο σήμα. Το πρόγραμμα LabView το επιτυγχάνει με την πρώτη αποδοχή μιας αναλογικής εισόδου από έναν πίνακα DAQ, ο οποίος λειτουργεί επίσης ως μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό. Αυτό το ψηφιακό σήμα στη συνέχεια αναλύεται περαιτέρω και σχεδιάζεται, όπου η γραφική παράσταση δείχνει τη γραφική αναπαράσταση του σήματος που εισάγεται στον πίνακα DAQ. Η κυματομορφή σήματος αναλύεται λαμβάνοντας το 80% των μέγιστων τιμών του ψηφιακού σήματος που γίνεται αποδεκτό και στη συνέχεια χρησιμοποιεί μια λειτουργία ανίχνευσης αιχμής για τον εντοπισμό αυτών των κορυφών του σήματος. Ταυτόχρονα, το πρόγραμμα λαμβάνει την κυματομορφή και υπολογίζει τη χρονική διαφορά μεταξύ των κορυφών της κυματομορφής. Η ανίχνευση αιχμής συνδυάζεται με συνοδευτικές τιμές είτε 1 είτε 0, όπου το 1 αντιπροσωπεύει μια κορυφή για τη δημιουργία ενός δείκτη της θέσης των κορυφών και αυτός ο δείκτης χρησιμοποιείται στη συνέχεια σε συνδυασμό με τη χρονική διαφορά μεταξύ των κορυφών για τον μαθηματικό υπολογισμό του καρδιακού ρυθμού παλμούς ανά λεπτό (BPM). Εμφανίζεται το μπλοκ διάγραμμα που χρησιμοποιήθηκε στο πρόγραμμα LabView.

Βήμα 5: Πλήρης συναρμολόγηση

Μόλις δημιουργήσετε όλα τα κυκλώματά σας και το πρόγραμμα LabVIEW και βεβαιωθείτε ότι όλα λειτουργούν σωστά, είστε έτοιμοι να καταγράψετε ένα σήμα ΗΚΓ. Στην εικόνα είναι ένα πιθανό σχηματικό σχήμα της διάταξης του συστήματος πλήρους κυκλώματος.

Συνδέστε το θετικό ηλεκτρόδιο στον δεξιό καρπό σας και μία από τις κυκλικές εισόδους ενισχυτή οργάνων και το αρνητικό ηλεκτρόδιο στον αριστερό καρπό σας και την άλλη είσοδο ενισχυτή οργάνων όπως φαίνεται στην εικόνα. Η σειρά εισαγωγής ηλεκτροδίων δεν έχει σημασία. Τέλος, τοποθετήστε ένα ηλεκτρόδιο γείωσης στον αστράγαλο και συνδεθείτε με τη γείωση στο κύκλωμά σας. Συγχαρητήρια, έχετε ολοκληρώσει όλα τα απαραίτητα βήματα για την εγγραφή και το σήμα ΗΚΓ.