ECG Monitor: 8 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.

Ηλεκτροκαρδιογραφία είναι η διαδικασία καταγραφής ηλεκτρικών σημάτων που παράγονται από την καρδιά ενός ασθενούς για τη λήψη πληροφοριών σχετικά με τη δραστηριότητα της καρδιάς. Για να καταγραφεί αποτελεσματικά το ηλεκτρικό σήμα, πρέπει να φιλτραριστεί και να ενισχυθεί μέσω ηλεκτρικών εξαρτημάτων. Οι πληροφορίες πρέπει επίσης να παρουσιάζονται σε έναν χρήστη με σαφή και αποτελεσματικό τρόπο.

Το παρακάτω Instructable περιγράφει τον τρόπο δημιουργίας του κυκλώματος ενίσχυσης/φιλτραρίσματος καθώς και μια διεπαφή χρήστη. Περιλαμβάνει τη δημιουργία ενισχυτή οργάνων, φίλτρου εγκοπών, φίλτρου χαμηλής διέλευσης και διεπαφής χρήστη στο LabVIEW.

Το πρώτο βήμα στη διαδικασία είναι να καθορίσουμε τις απαιτήσεις του αναλογικού κυκλώματος. Αφού καθοριστούν οι απαιτήσεις, λαμβάνονται αποφάσεις σχετικά με τα κύρια συστατικά που θα αποτελούν το κύκλωμα. Αργότερα, εξετάζονται μικρότερες λεπτομέρειες σχετικά με τα χαρακτηριστικά αυτών των κύριων εξαρτημάτων και, τέλος, η φάση σχεδιασμού κυκλώματος ολοκληρώνεται καθορίζοντας τις ακριβείς τιμές κάθε αντίστασης και πυκνωτή στο κύκλωμα.

Βήμα 1: Καθορισμός απαιτήσεων και κύριων στοιχείων

Η εργασία του κυκλώματος είναι να ενισχύσει το σήμα ΗΚΓ που παράγεται από τον ασθενή και να φιλτράρει όλο τον σχετικό θόρυβο. Το ακατέργαστο σήμα αποτελείται από μια σύνθετη κυματομορφή με μέγιστο πλάτος περίπου 2 mV και στοιχεία συχνότητας στην περιοχή 100 Hz έως 250 Hz στο σύμπλεγμα QRS. Αυτό είναι το σήμα που πρέπει να ενισχυθεί και να εγγραφεί.

Πέρα από αυτό το σήμα ενδιαφέροντος, παράγεται θόρυβος από διάφορες πηγές. Τα τροφοδοτικά δημιουργούν θόρυβο 60 Hz και η κίνηση των ασθενών παράγει τεχνουργήματα στην περιοχή μικρότερη από 1 Hz. Εισάγεται περισσότερος θόρυβος υψηλής συχνότητας από ακτινοβολία υποβάθρου και σήματα τηλεπικοινωνιών, όπως κινητά τηλέφωνα και ασύρματο internet. Αυτή η συλλογή θορύβου είναι το σήμα που πρέπει να φιλτραριστεί.

Το κύκλωμα πρέπει πρώτα να ενισχύσει το ακατέργαστο σήμα. Στη συνέχεια πρέπει να φιλτράρει θόρυβο 60 Hz και οποιονδήποτε άλλο θόρυβο πάνω από 160 Hz. Το φιλτράρισμα θορύβου χαμηλής συχνότητας που σχετίζεται με την κίνηση του ασθενούς θεωρείται περιττό, καθώς ο ασθενής μπορεί απλώς να λάβει οδηγίες να παραμείνει ακίνητος.

Επειδή το σήμα μετριέται ως η διαφορά δυναμικού μεταξύ δύο ηλεκτροδίων που βρίσκονται στον ασθενή, η ενίσχυση επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός ενισχυτή οργάνων. Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί ένας απλός ενισχυτής διαφοράς, αλλά οι ενισχυτές οργάνων συχνά αποδίδουν καλύτερα όσον αφορά την απόρριψη θορύβου και τις ανοχές. Το φιλτράρισμα 60 Hz επιτυγχάνεται με τη χρήση φίλτρου εγκοπής και το υπόλοιπο φιλτράρισμα υψηλής συχνότητας επιτυγχάνεται με τη χρήση φίλτρου χαμηλής διέλευσης. Αυτά τα τρία στοιχεία αποτελούν ολόκληρο το αναλογικό κύκλωμα.

Γνωρίζοντας τα τρία στοιχεία του κυκλώματος, μπορούν να οριστούν μικρότερες λεπτομέρειες σχετικά με τα κέρδη, τις συχνότητες διακοπής και το εύρος ζώνης των εξαρτημάτων.

Ο ενισχυτής οργάνων θα ρυθμιστεί σε κέρδος 670. Αυτό είναι αρκετά μεγάλο για να καταγράψει ένα μικρό σήμα ΗΚΓ, αλλά και αρκετά μικρό για να διασφαλίσει ότι οι ενισχυτές συμπεριφέρονται εντός του γραμμικού εύρους τους κατά τον έλεγχο του κυκλώματος με σήματα κοντά στα 20 mV, όπως είναι το ελάχιστο σε ορισμένες γεννήτριες συναρτήσεων.

Το φίλτρο εγκοπής θα είναι κεντραρισμένο στα 60 Hz.

Το φίλτρο χαμηλής διέλευσης θα έχει συχνότητα διακοπής 160 Hz. Αυτό θα πρέπει ακόμα να συλλάβει το μεγαλύτερο μέρος του συγκροτήματος QRS και να απορρίψει τον θόρυβο φόντου υψηλής συχνότητας.

Βήμα 2: Ενισχυτής οργάνων

Τα παραπάνω σχήματα περιγράφουν τον ενισχυτή οργάνων.

Ο ενισχυτής έχει δύο στάδια. Το πρώτο στάδιο αποτελείται από τους δύο ενισχυτές στα αριστερά των παραπάνω εικόνων και το δεύτερο στάδιο αποτελείται από τον ενιαίο ενισχυτή στα δεξιά. Το κέρδος καθενός από αυτά μπορεί να διαμορφωθεί όπως θέλει, αλλά αποφασίσαμε να το κατασκευάσουμε με κέρδος 670 V/V. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με τις ακόλουθες τιμές αντίστασης:

R1: 100 Ohms

R2: 3300 Ohms

R3: 100 Ohms

R4: 1000 Ohms

Βήμα 3: Φίλτρο εγκοπών

Τα παραπάνω σχήματα περιγράφουν το φίλτρο εγκοπής. Αυτό είναι ένα ενεργό φίλτρο, οπότε θα μπορούσαμε να επιλέξουμε να το κάνουμε να ενισχυθεί ή να εξασθενήσει ένα σήμα, αν θέλουμε, αλλά έχουμε ήδη επιτύχει όλη την απαραίτητη ενίσχυση, οπότε επιλέγουμε ένα κέρδος ενός για αυτό το op-amp. Η συχνότητα του κέντρου πρέπει να είναι 60 Hz και ο συντελεστής ποιότητας πρέπει να είναι 8. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με τις ακόλουθες τιμές συστατικών:

R1: 503 Ohms

R2: 128612 Ohms

R3: 503 Ohms

C: 0,33 microFarads

Βήμα 4: Φίλτρο χαμηλής διέλευσης

Και πάλι, αυτό είναι ένα ενεργό φίλτρο, οπότε θα μπορούσαμε να επιλέξουμε όποιο κέρδος θέλουμε, αλλά θα επιλέξουμε 1. Αυτό επιτυγχάνεται μετατρέποντας το R4 παραπάνω σε βραχυκύκλωμα και το R3 σε ανοιχτό κύκλωμα. Τα υπόλοιπα, όπως και με τα άλλα συστατικά, επιτυγχάνονται χρησιμοποιώντας τις προηγουμένως καθορισμένες απαιτήσεις μας σε συνδυασμό με τις εξισώσεις που διέπουν τα κυκλώματα για την απόκτηση τιμών μεμονωμένων στοιχείων:

R1: 12056 Ohms

R2: 19873,6 Ohms

C1: 0,047 microFarads

C2: 0,1 microFarads

Βήμα 5: Σχεδιάστε το πλήρες κύκλωμα εικονικά

Ο σχεδιασμός ενός κυκλώματος σε ένα λογισμικό οικοδόμησης ενός εικονικού κυκλώματος, όπως το PSPICE, μπορεί να είναι πολύ χρήσιμο για την ανίχνευση σφαλμάτων και την ενίσχυση των σχεδίων πριν προχωρήσουμε σε πραγματική κατασκευή αναλογικού κυκλώματος. Σε αυτό το σημείο, μπορεί κανείς να καταγράψει σάρωση AC του κυκλώματος για να διασφαλίσει ότι όλα συμπεριφέρονται σύμφωνα με το σχέδιο.

Βήμα 6: Δημιουργία πλήρους κυκλώματος

Το κύκλωμα μπορεί να κατασκευαστεί με όποιον τρόπο θέλετε, αλλά επιλέχθηκε ένας πίνακας ψωμιού για αυτήν την περίπτωση.

Συνιστάται η συναρμολόγηση σε ένα breadboard επειδή είναι ευκολότερη από τη συγκόλληση, αλλά η συγκόλληση θα έδινε μεγαλύτερη αντοχή. Συνιστάται επίσης η τοποθέτηση πυκνωτή παράκαμψης 0,1 microFarad στη γείωση παράλληλα με την πηγή ενέργειας, καθώς αυτό βοηθά στην εξάλειψη ανεπιθύμητων αποκλίσεων από τη σταθερή ισχύ.

Βήμα 7: Διεπαφή χρήστη LabVIEW

Η διεπαφή χρήστη LabVIEW είναι ένα μέσο μετατροπής από αναλογικά σήματα σε οπτικές και αριθμητικές αναπαραστάσεις του σήματος ΗΚΓ που είναι εύκολο για έναν χρήστη να ερμηνεύσει. Ένας πίνακας DAQ χρησιμοποιείται για τη μετατροπή του σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό και τα δεδομένα εισάγονται στο LabVIEW.

Το λογισμικό είναι ένα πρόγραμμα που βασίζεται σε αντικείμενα και βοηθά στην επεξεργασία δεδομένων και τη δημιουργία διεπαφής. Τα δεδομένα αναπαρίστανται πρώτα οπτικά από το γράφημα και στη συνέχεια πραγματοποιείται κάποια επεξεργασία σήματος προκειμένου να προσδιοριστεί η συχνότητα του καρδιακού παλμού έτσι ώστε να μπορεί να εμφανιστεί δίπλα στο γράφημα.

Για να προσδιοριστεί η συχνότητα των καρδιακών παλμών, πρέπει να εντοπιστούν οι καρδιακοί παλμοί. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με το αντικείμενο ανίχνευσης αιχμής του Lab VIEW. Το αντικείμενο εξάγει τους δείκτες κορυφών στη συστοιχία δεδομένων που λαμβάνονται, οι οποίοι μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν σε υπολογισμούς για τον προσδιορισμό του χρόνου που περνά μεταξύ των καρδιακών παλμών.

Επειδή οι λεπτομέρειες του LabVIEW θα ήταν εντελώς διαφορετικές με οδηγίες, θα αφήσουμε τις λεπτομέρειες σε άλλη πηγή. Οι ακριβείς λειτουργίες του προγράμματος φαίνονται στο μπλοκ διάγραμμα που παρουσιάστηκε παραπάνω.

Βήμα 8: Τελικό περιβάλλον εργασίας χρήστη LabVIEW

Η τελική διεπαφή χρήστη εμφανίζει ένα ενισχυμένο, φιλτραρισμένο, μετατρεπόμενο και επεξεργασμένο σήμα μαζί με την ανάγνωση συχνότητας καρδιάς σε παλμούς ανά λεπτό