Πώς να φτιάξετε ένα ΗΚΓ και Digitalηφιακή οθόνη καρδιακού ρυθμού: 6 βήματα

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

Το ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ) μετρά την ηλεκτρική δραστηριότητα του καρδιακού παλμού για να δείξει πόσο γρήγορα χτυπά η καρδιά καθώς και τον ρυθμό της. Υπάρχει μια ηλεκτρική ώθηση, επίσης γνωστή ως κύμα, που ταξιδεύει μέσα από την καρδιά για να κάνει τον καρδιακό μυ να αντλεί αίμα με κάθε παλμό. Οι δεξιοί και αριστεροί κόλποι δημιουργούν το πρώτο κύμα Ρ και οι κάτω δεξιά και αριστερές κοιλίες κάνουν το σύμπλεγμα QRS. Το τελικό κύμα Τ είναι από την ηλεκτρική ανάκτηση σε κατάσταση ηρεμίας. Οι γιατροί χρησιμοποιούν σήματα ΗΚΓ για τη διάγνωση καρδιακών παθήσεων, οπότε είναι σημαντικό να λαμβάνετε καθαρές εικόνες.

Ο στόχος αυτού του οδηγού είναι να αποκτήσει και να φιλτράρει ένα σήμα ηλεκτροκαρδιογραφήματος (ΗΚΓ) συνδυάζοντας έναν ενισχυτή οργάνων, φίλτρο εγκοπής και φίλτρο χαμηλής διέλευσης σε ένα κύκλωμα. Στη συνέχεια, τα σήματα θα περάσουν από έναν μετατροπέα A/D σε LabView για να παράγουν ένα γράφημα και τον καρδιακό παλμό σε πραγματικό χρόνο σε BPM.

"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."

Βήμα 1: Σχεδιάστε έναν ενισχυτή οργάνων

Για να φτιάξουμε έναν ενισχυτή οργάνων, χρειαζόμαστε 3 ενισχυτές op και 4 διαφορετικές αντιστάσεις. Ένας ενισχυτής οργάνων αυξάνει το κέρδος του κύματος εξόδου. Για αυτόν τον σχεδιασμό, στοχεύσαμε σε ένα κέρδος 1000V για να λάβουμε ένα καλό σήμα. Χρησιμοποιήστε τις ακόλουθες εξισώσεις για να υπολογίσετε τις κατάλληλες αντιστάσεις όπου το κέρδος είναι Κ1 και Κ2.

Στάδιο 1: K1 = 1 + (2R2/R1)

Στάδιο 2: K2 = -(R4/R3)

Για αυτό το σχέδιο, χρησιμοποιήθηκαν R1 = 20.02Ω, R2 = R4 = 10kΩ, R3 = 10Ω.

Βήμα 2: Σχεδιάστε ένα φίλτρο εγκοπών

Δεύτερον, πρέπει να δημιουργήσουμε ένα φίλτρο εγκοπής χρησιμοποιώντας ενισχυτή op, αντιστάσεις και πυκνωτές. Ο σκοπός αυτού του στοιχείου είναι να φιλτράρει τον θόρυβο στα 60 Hz. Θέλουμε να φιλτράρουμε ακριβώς στα 60 Hz, έτσι όλα κάτω και πάνω από αυτή τη συχνότητα θα περάσουν, αλλά το πλάτος της κυματομορφής θα είναι το χαμηλότερο στα 60 Hz. Για να καθορίσουμε τις παραμέτρους του φίλτρου, χρησιμοποιήσαμε κέρδος 1 και συντελεστή ποιότητας 8. Χρησιμοποιήστε τις παρακάτω εξισώσεις για να υπολογίσετε τις κατάλληλες τιμές αντίστασης. Q είναι ο συντελεστής ποιότητας, w = 2*pi*f, f είναι η κεντρική συχνότητα (Hz), B είναι το εύρος ζώνης (rad/sec) και wc1 και wc2 είναι οι συχνότητες διακοπής (rad/sec).

R1 = 1/(2QwC)

R2 = 2Q/(wC)

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

Q = w/B

Β = wc2 - wc1

Βήμα 3: Σχεδιάστε ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης

Ο σκοπός αυτού του στοιχείου είναι να φιλτράρει συχνότητες πάνω από μια συγκεκριμένη συχνότητα διακοπής (wc), ουσιαστικά να μην τους επιτρέπει να περάσουν. Αποφασίσαμε να φιλτράρουμε σε συχνότητα 250 Hz προκειμένου να αποφύγουμε την κοπή πολύ κοντά στη μέση συχνότητα που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση ενός σήματος ΗΚΓ (150 Hz). Για να υπολογίσουμε τις τιμές που θα χρησιμοποιήσουμε για αυτό το στοιχείο, θα χρησιμοποιήσουμε τις ακόλουθες εξισώσεις:

C1 <= C2 (a^2 + 4b (k-1)) / 4b

C2 = 10/συχνότητα διακοπής (Hz)

R1 = 2 / (wc (a*C2 + (a^2 + 4b (k -1) C2^2 - 4b*C1*C2)^(1/2))

R2 = 1 / (b*C1*C2*R1*wc^2)

Θα ορίσουμε το κέρδος ως 1, οπότε το R3 γίνεται ανοικτό κύκλωμα (χωρίς αντίσταση) και το R4 βραχυκύκλωμα (απλά ένα καλώδιο).

Βήμα 4: Δοκιμάστε το κύκλωμα

Πραγματοποιείται σάρωση εναλλασσόμενου ρεύματος για κάθε συστατικό για τον προσδιορισμό της αποτελεσματικότητας του φίλτρου. Η σάρωση AC μετρά το μέγεθος του εξαρτήματος σε διαφορετικές συχνότητες. Αναμένετε να δείτε διαφορετικά σχήματα ανάλογα με το στοιχείο. Η σημασία της σάρωσης AC είναι να βεβαιωθείτε ότι το κύκλωμα λειτουργεί σωστά μόλις κατασκευαστεί. Για να εκτελέσετε αυτήν τη δοκιμή στο εργαστήριο, απλά καταγράψτε το Vout/Vin σε μια σειρά συχνοτήτων. Για τον ενισχυτή οργάνων δοκιμάσαμε από 50 έως 1000 Hz για να έχουμε ένα ευρύ φάσμα. Για το φίλτρο εγκοπών, δοκιμάσαμε από 10 έως 90 Hz για να έχουμε μια καλή ιδέα για το πώς αντιδρά το συστατικό γύρω στα 60 Hz. Για το φίλτρο χαμηλής διέλευσης, δοκιμάσαμε από 50 έως 500 Hz για να καταλάβουμε πώς αντιδρά το κύκλωμα όταν προορίζεται να περάσει και πότε προορίζεται να σταματήσει.

Βήμα 5: Κύκλωμα ΗΚΓ στο LabView

Στη συνέχεια, θέλετε να δημιουργήσετε ένα μπλοκ διάγραμμα στο LabView που προσομοιώνει ένα σήμα ΗΚΓ μέσω μετατροπέα A/D και στη συνέχεια σχεδιάζει το σήμα στον υπολογιστή. Ξεκινήσαμε με τον καθορισμό των παραμέτρων του σήματος της πλακέτας DAQ καθορίζοντας τον μέσο καρδιακό ρυθμό που περιμέναμε. επιλέξαμε 60 παλμούς το λεπτό. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας μια συχνότητα 1kHz, καταφέραμε να προσδιορίσουμε ότι έπρεπε να εμφανίσουμε περίπου 3 δευτερόλεπτα για να αποκτήσουμε 2-3 αιχμές ΗΚΓ στο διάγραμμα κυματομορφής. Εμφανίσαμε 4 δευτερόλεπτα για να διασφαλίσουμε ότι καταγράφουμε αρκετές κορυφές ΗΚΓ. Το μπλοκ διάγραμμα θα διαβάσει το εισερχόμενο σήμα και θα χρησιμοποιήσει την ανίχνευση αιχμής για να καθορίσει πόσο συχνά συμβαίνει ένας πλήρης καρδιακός παλμός.

Βήμα 6: ΗΚΓ και καρδιακός ρυθμός

Χρησιμοποιώντας τον κωδικό από το μπλοκ διάγραμμα, το ΗΚΓ θα εμφανιστεί στο πλαίσιο κυματομορφής και οι ρυθμοί ανά λεπτό θα εμφανιστούν δίπλα του. Έχετε τώρα μια συσκευή παρακολούθησης καρδιακών παλμών που λειτουργεί! Για να προκαλέσετε ακόμη περισσότερο τον εαυτό σας, δοκιμάστε να χρησιμοποιήσετε το κύκλωμα και τα ηλεκτρόδιά σας για να εμφανίσετε τον καρδιακό σας ρυθμό σε πραγματικό χρόνο!