ΗΚΓ και ψηφιακή οθόνη καρδιακού ρυθμού: 7 βήματα (με εικόνες)

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

Το ηλεκτροκαρδιογράφημα, ή το ΗΚΓ, είναι μια πολύ παλιά μέθοδος μέτρησης και ανάλυσης της υγείας της καρδιάς. Το σήμα που διαβάζεται από το ΗΚΓ μπορεί να υποδεικνύει μια υγιή καρδιά ή μια σειρά προβλημάτων. Ένας αξιόπιστος και ακριβής σχεδιασμός είναι σημαντικός γιατί εάν το σήμα ΗΚΓ δείχνει παραμορφωμένη κυματομορφή ή λανθασμένο καρδιακό παλμό, ένα άτομο μπορεί να διαγνωστεί λανθασμένα. Ο στόχος είναι να σχεδιαστεί ένα κύκλωμα ΗΚΓ που είναι σε θέση να αποκτήσει, να ενισχύσει και να φιλτράρει το σήμα ΗΚΓ. Στη συνέχεια, μετατρέψτε αυτό το σήμα μέσω ενός μετατροπέα A/D σε Labview για να δημιουργήσετε ένα γράφημα σε πραγματικό χρόνο και τον καρδιακό παλμό σε BPM του σήματος ΗΚΓ. Η κυματομορφή εξόδου πρέπει να μοιάζει με αυτήν την εικόνα.

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: Σχεδιάζοντας το κύκλωμα

Το κύκλωμα πρέπει να είναι ικανό να αποκτήσει και να ενισχύσει ένα σήμα ΗΚΓ. Για να γίνει αυτό, θα συνδυάσουμε τρία ενεργά φίλτρα. έναν ενισχυτή οργάνων, ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης Butterworth δεύτερης τάξης και ένα φίλτρο Notch. Ο σχεδιασμός αυτών των κυκλωμάτων φαίνεται στις εικόνες. Θα τα πηγαίνουμε ένα κάθε φορά και μετά θα τα βάλουμε μαζί για να ολοκληρώσουμε το πλήρες κύκλωμα.

Βήμα 2: Ενισχυτής οργάνων

Το κέρδος του ενισχυτή οργάνων πρέπει να είναι 1000 V/V για να λάβει ένα καλό σήμα. Η ενίσχυση μέσω του ενισχυτή οργάνων πραγματοποιείται σε δύο στάδια. Το πρώτο στάδιο αποτελείται από δύο ενισχυτές op στα αριστερά και αντίσταση R1 και R2 και το δεύτερο στάδιο ενίσχυσης αποτελείται από ενισχυτή op στα δεξιά και αντιστάσεις R3 και R4. Το κέρδος (ενίσχυση) για το στάδιο 1 και το στάδιο 2 δίνεται στην εξίσωση (1) και (2).

Στάδιο 1 Κέρδος: K1 = 1 + (2R2/R1) (1)

Στάδιο 2 Κέρδος: K2 = R4/R3 (2)

Μια σημαντική σημείωση σχετικά με το κέρδος στα κυκλώματα είναι το πολλαπλασιαστικό. π.χ. το κέρδος του συνολικού κυκλώματος στο Σχήμα 2 είναι Κ1*Κ2. Αυτές οι εξισώσεις παράγουν τις τιμές που φαίνονται στο σχηματικό σχήμα. Τα υλικά που χρειάζονται για αυτό το φίλτρο είναι τρεις ενισχυτές LM741 op, τρεις αντιστάσεις 1k ohm, δύο αντιστάσεις 24,7 kohm και δύο αντιστάσεις 20 kohm.

Βήμα 3: Φίλτρο εγκοπών

Το επόμενο στάδιο είναι ένα φίλτρο Notch για μείωση του θορύβου στα 60 Hz. Αυτή η συχνότητα πρέπει να διακοπεί επειδή υπάρχει πολύς επιπλέον θόρυβος στα 60 Hz λόγω παρεμβολών στη γραμμή ισχύος, αλλά δεν θα βγάλει τίποτα σημαντικό από το σήμα του ΗΚΓ. Οι τιμές για τα εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται στο κύκλωμα βασίζονται στη συχνότητα που θέλετε να φιλτράρετε, σε αυτήν την περίπτωση 60 Hz (377 rad/s). Οι εξισώσεις συστατικών είναι οι εξής

R1 = 1/ (6032*C)

R2 = 16 / (377*C)

R3 = (R1R2)/ (R1 + R2)

Τα υλικά που απαιτούνταν για αυτό ήταν ένας ενισχυτής LM741 op, τρεις αντιστάσεις με τιμές 1658 ohm, 424,4 kohm και 1651 ohms και 3 πυκνωτές, δύο στα 100 nF και ένα στα 200 nF.

Βήμα 4: Φίλτρο χαμηλής διέλευσης

Το τελικό στάδιο είναι ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης Butterworth δεύτερης τάξης με συχνότητα διακοπής 250 Hz. Αυτή είναι η συχνότητα διακοπής επειδή ένα σήμα ΗΚΓ κυμαίνεται μόνο σε μέγιστο 250 Hz. Οι εξισώσεις για τις τιμές των συστατικών στο φίλτρο ορίζονται στις ακόλουθες εξισώσεις:

R1 = 2/ (1571 (1.4C2 + ταξινόμηση (1.4^2 * C2^2 - 4C1C2))))

R2 = 1 / (1571*C1*C2*R1)

C1 <(C2 *1.4^2) / 4

Τα υλικά που απαιτούνται για αυτό το φίλτρο ήταν ένας ενισχυτής LM741 op, δύο αντιστάσεις 15,3 kohm και 25,6 kohm και δύο πυκνωτές 47 nF και 22 nF.

Μόλις σχεδιαστούν και κατασκευαστούν και τα τρία στάδια, το τελικό κύκλωμα θα μοιάζει με τη φωτογραφία.

Βήμα 5: Δοκιμή του κυκλώματος

Αφού κατασκευαστεί το κύκλωμα, πρέπει να δοκιμαστεί για να διασφαλιστεί ότι λειτουργεί σωστά. Σε κάθε φίλτρο πρέπει να εκτελείται σάρωση εναλλασσόμενου ρεύματος χρησιμοποιώντας ένα σήμα καρδιακής εισόδου σε 1 Hz από μια γεννήτρια τάσης. Η απόκριση μεγέθους σε dB πρέπει να μοιάζει με τις εικόνες. Εάν τα αποτελέσματα από τη σάρωση AC είναι σωστά, το κύκλωμα τελειώνει και είναι έτοιμο για χρήση. Εάν οι απαντήσεις δεν είναι σωστές, το κύκλωμα πρέπει να διορθωθεί. Ξεκινήστε ελέγχοντας όλες τις συνδέσεις και τις εισόδους ισχύος για να διασφαλίσετε ότι όλα έχουν καλή σύνδεση. Εάν αυτό δεν επιλύσει το πρόβλημα, χρησιμοποιήστε τις εξισώσεις για τα συστατικά των φίλτρων για να ρυθμίσετε τις τιμές των αντιστάσεων και των πυκνωτών όπως απαιτείται έως ότου η έξοδος είναι εκεί που πρέπει.

Βήμα 6: Δημιουργία VUI στο Labview

Το Labview είναι ένα λογισμικό λήψης ψηφιακών δεδομένων που επιτρέπει σε έναν χρήστη να σχεδιάσει ένα VUI ή εικονική διεπαφή χρήστη. Ένας πίνακας DAQ είναι ένας μετατροπέας A/D που μπορεί να μετατρέψει και να μεταδώσει το σήμα ΗΚΓ σε Labview. Χρησιμοποιώντας αυτό το λογισμικό, το σήμα ΗΚΓ μπορεί να σχεδιαστεί σε γράφημα πλάτους έναντι χρόνου για να διαβάσει καθαρά το σήμα και στη συνέχεια να μετατρέψει το σήμα σε καρδιακό παλμό σε BPM. Το πρώτο πράγμα που απαιτείται για αυτό είναι ένας πίνακας DAQ που αποκτά δεδομένα και τα μετατρέπει σε ψηφιακό σήμα για αποστολή στο Labview στον υπολογιστή. Το πρώτο πράγμα που έπρεπε να προστεθεί στο σχέδιο Labview ήταν το DAQ Assistant, το οποίο λαμβάνει το σήμα από τον πίνακα DAQ και καθορίζει τις παραμέτρους δειγματοληψίας. Το επόμενο βήμα είναι η σύνδεση ενός γραφήματος κυματομορφής στην έξοδο του βοηθού DAQ στο σχεδιασμό VUI που απεικονίζει το σήμα ΗΚΓ που δείχνει την κυματομορφή του ΗΚΓ. Τώρα που το γράφημα κυματομορφής έχει ολοκληρωθεί, τα δεδομένα πρέπει επίσης να μετατραπούν για να παράγουν μια αριθμητική έξοδο του καρδιακού ρυθμού. Το πρώτο βήμα σε αυτόν τον υπολογισμό ήταν να βρούμε το μέγιστο των δεδομένων ΗΚΓ συνδέοντας το στοιχείο max/min στην έξοδο των δεδομένων DAQ στο VUI και, στη συνέχεια, να το εξάγουμε σε ένα άλλο στοιχείο που ονομάζεται αιχμή ανίχνευσης και σε ένα στοιχείο που θα βρει μεταβολή του χρόνου που ονομάζεται dt. Το στοιχείο ανίχνευσης αιχμής χρειαζόταν επίσης ένα κατώφλι από το μέγιστο/λεπτό το οποίο υπολογίστηκε με τη λήψη του μέγιστου από το στοιχείο μέγ. Λεπτό και πολλαπλασιάζοντάς το με 0,8, για να βρεθεί το 80% της μέγιστης τιμής και, στη συνέχεια, να εισαχθεί στο στοιχείο ανίχνευσης αιχμής. Αυτό το κατώφλι επέτρεψε στο στοιχείο ανίχνευσης αιχμής να βρει το μέγιστο του κύματος R και τη θέση όπου εμφανίστηκε το μέγιστο ενώ αγνοεί τις άλλες κορυφές του σήματος. Οι θέσεις των κορυφών στάλθηκαν στη συνέχεια σε ένα στοιχείο πίνακα ευρετηρίου που προστέθηκε στη συνέχεια στο VUI. Το στοιχείο πίνακα ευρετηρίου ορίστηκε για αποθήκευση σε πίνακα με και δείκτη ξεκινώντας από το 0, και στη συνέχεια ένα άλλο ξεκινώντας με δείκτη 1. Στη συνέχεια, αφαιρέθηκαν το ένα από το άλλο για να βρεθεί η διαφορά των δύο θέσεων κορυφής, η οποία αντιστοιχεί στον αριθμό σημείων μεταξύ κάθε κορυφής. Ο αριθμός των πόντων πολλαπλασιασμένος με τη διαφορά ώρας μεταξύ κάθε σημείου παρέχει το χρόνο που απαιτείται για να συμβεί κάθε ρυθμός. Αυτό επιτεύχθηκε πολλαπλασιάζοντας την έξοδο από το στοιχείο dt και την έξοδο από την αφαίρεση των δύο συστοιχιών. Αυτός ο αριθμός διαιρείται στη συνέχεια με 60, για να βρεθούν οι ρυθμοί ανά λεπτό και στη συνέχεια εξάγεται χρησιμοποιώντας ένα αριθμητικό στοιχείο ένδειξης στο VUI. Η ρύθμιση του σχεδιασμού VUI στο Labview φαίνεται στο σχήμα.

Βήμα 7: Βάλτε τα όλα μαζί

Μόλις ολοκληρωθεί το VUI στο Labview, το τελευταίο βήμα είναι να συνδέσετε το κύκλωμα στην πλακέτα DAQ, έτσι ώστε το σήμα να περνά μέσα από το κύκλωμα, στην πλακέτα και μετά στο Labview. Εάν όλα λειτουργούν σωστά, ένα σήμα 1 Hz θα πρέπει να παράγει την κυματομορφή που φαίνεται στο σχήμα και έναν καρδιακό παλμό 60 παλμών ανά λεπτό. Τώρα έχετε ένα λειτουργικό ΗΚΓ και ψηφιακό μόνιτορ καρδιακού ρυθμού.