ECG automat automat (1 amplificator, 2 filtre): 7 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:43

O electrocardiogramă (ECG) măsoară și afișează activitatea electrică a inimii folosind diferiți electrozi așezați pe piele. Un ECG poate fi creat folosind un amplificator de instrumentație, un filtru de notch și un filtru de trecere jos. În cele din urmă, semnalul filtrat și amplificat poate fi vizualizat folosind software-ul LabView. LabView folosește, de asemenea, frecvența de intrare a semnalului pentru a calcula bătăile inimii subiectului uman. Amplificatorul de instrumentație construit a reușit să ia semnalul mic al corpului și să-l amplifice la 1 V, astfel încât să poată fi vizualizat pe computer folosind LabView. Filtrele de notch și de trecere joasă au reușit să reducă zgomotul de 60 Hz de la sursele de alimentare și să interfereze cu semnalele de peste 350 Hz. Bătăile inimii în repaus au fost măsurate la 75 bpm și 137 bpm după cinci minute de exerciții intense. ECG construit a fost capabil să măsoare bătăile inimii la valori realiste și să vizualizeze diferitele componente ale unei forme de undă tipice ECG. În viitor, acest ECG ar putea fi îmbunătățit prin modificarea valorilor pasive din filtrul de notch pentru a reduce mai mult zgomotul în jur de 60 Hz.

Pasul 1: Creați amplificatorul de instrumentație

Veți avea nevoie de: LTSpice (sau un alt software de vizualizare a circuitelor)

Amplificatorul de instrumentație a fost creat pentru a crește dimensiunea semnalului, astfel încât acesta să fie vizibil și să permită analiza formei de undă.

Prin utilizarea R1 = 3,3k ohmi, R2 = 33k ohmi, R3 = 1k ohmi, R4 = 48 ohmi se obține un câștig de X. Câștig = - R4 / R3 (1 + R2 / R1) = -47k / 1k (1- (33k / 3,3k)) = -1008

Deoarece în amplificatorul operațional final semnalul intră în pinul de inversare, câștigul este de 1008. Acest design a fost creat în LTSpice apoi simulat cu o curgere alternativă de la 1 la 1 kHz cu 100 de puncte pe deceniu pentru o intrare de undă sinusoidală cu amplitudine AC de 1 V.

Am verificat dacă câștigul nostru a fost un câștig similar. Din grafic am găsit Gain = 10 ^ (60/20) = 1000, care este suficient de apropiat de câștigul dorit de 1008.

Pasul 2: Creați filtrul Notch

Veți avea nevoie de: LTSpice (sau un alt software de vizualizare a circuitelor)

Un filtru cu crestături este un tip specific de filtru trece jos urmat de un filtru trece înalt pentru a elimina o anumită frecvență. Un filtru cu crestături este utilizat pentru a elimina zgomotul produs de toate dispozitivele electronice care este prezent la 60Hz.

Valorile pasive au fost calculate: C =.1 uF (s-a ales valoarea) 2C =.2 uF (condensator utilizat.22 uF)

Se va utiliza un factor AQ de 8: R1 = 1 / (2 * Q * 2 * pi * f * C) = 1 / (2 * 8 * 2 * 3.14159 * 60 *.1E-6) = 1.66 kOhm (1.8 kOhm a fost utilizat) R2 = 2Q / (2 * pi * f * C) = (2 * 8) / (60 Hz * 2 * 3.14159 *.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm a fost folosit) Diviziunea tensiunii: Rf = R1 * R2 / (R1 + R2) = 1,8 kOhm * 423 kOhm / (1,8 kOhm + 423 kOhm) = 1,79 kOhm (a fost utilizat 1,8 kOhm)

Acest design al filtrului are un câștig de 1, ceea ce înseamnă că nu există proprietăți de amplificare.

Conectarea valorilor pasive și simularea pe LTSpice cu un AC Sweep și un semnal de intrare de undă sinusoidală de 0,1 V cu o frecvență AC de 1 kHz are ca rezultat graficul atașat.

La o frecvență de aproximativ 60 Hz, semnalul atinge cea mai mică tensiune. Filtrul reușește să elimine zgomotul de 60 Hz la o tensiune neobservabilă de 0,01 V și să ofere un câștig de 1, deoarece tensiunea de intrare este de 0,1 V.

Pasul 3: Creați filtrul de trecere joasă

Veți avea nevoie de: LTSpice (sau un alt software de vizualizare a circuitelor)

A fost creat un filtru trece jos pentru a elimina semnalele peste pragul de interes care ar conține semnalul ECG. Pragul de interes a fost între 0 - 350Hz.

Valoarea condensatorului a fost aleasă să fie.1 uF. Rezistența necesară este calculată pentru o frecvență mare de tăiere de 335 Hz: C = 0,1 uF R = 1 / (2pi * 0,1 * (10 ^ -6) * 335 Hz) = 4,75 kOhm (s-a folosit 4,7 kOhm)

Conectarea valorilor pasive și simularea pe LTSpice cu un AC Sweep și un semnal de intrare de undă sinusoidală de 0,1 V cu o frecvență AC de 1 kHz are ca rezultat graficul atașat.

Pasul 4: Creați circuitul pe o placă de calcul

Veți avea nevoie de: rezistențe cu valori diferite, condensatori cu valori diferite, amplificatoare operaționale UA 471, cabluri jumper, o placă de calcul, cabluri de conectare, o sursă de alimentare sau baterie de 9 V

Acum că ți-ai simulat circuitul, este timpul să-l construiești pe o placă de calcul. Dacă nu aveți valorile exacte enumerate, utilizați ceea ce aveți sau combinați rezistențe și condensatoare pentru a face valorile de care aveți nevoie. Nu uitați să vă alimentați placa de pâine utilizând o baterie de 9 volți sau o sursă de curent continuu. Fiecare amplificator operațional are nevoie de o sursă de tensiune pozitivă și negativă.

Pasul 5: Configurați mediul LabView

Veți avea nevoie de: software LabView, un computer

Pentru a automatiza afișarea formei de undă și calculul ritmului cardiac, a fost utilizat LabView. LabView este un program utilizat pentru vizualizarea și analiza datelor. Ieșirea circuitului ECG este intrarea pentru LabView. Datele sunt introduse, graficate și analizate pe baza schemei bloc concepute mai jos.

În primul rând, asistentul DAQ preia semnalul analogic din circuit. Instrucțiunile de eșantionare sunt configurate aici. Rata de eșantionare a fost de 1k eșantioane pe secundă și intervalul a fost de 3k ms, prin urmare intervalul de timp văzut în graficul de formă de undă este de 3 secunde. Waveform Graph a primit date de la DAQ Assistant, apoi le trasează în fereastra panoului frontal. Secțiunea inferioară a diagramei bloc cuprinde calculul ritmului cardiac. Mai întâi se măsoară maximul și minimul undei. Apoi, aceste măsurători de amplitudine sunt utilizate pentru a determina dacă apar vârfuri care sunt definite ca 95% din amplitudinea maximă și, în acest caz, se înregistrează punctul de timp. Odată ce vârfurile sunt detectate, amplitudinea și punctul de timp sunt stocate în tablouri. Apoi, numărul de vârfuri / secunde este convertit în minute și afișat pe panoul frontal. Panoul frontal arată forma de undă și bătăile pe minut.

Circuitul a fost conectat la LabVIEW printr-un ADC National Instruments așa cum se arată în figura de mai sus. Generatorul de funcții a produs semnalul ECG simulat a fost introdus în ADC, care a transferat datele către LabView pentru graficare și analiză. În plus, odată ce BPM a fost calculat în LabVIEW, Indicatorul numeric a fost folosit pentru a imprima acea valoare pe panoul frontal al aplicației de-a lungul latului graficului de formă de undă, așa cum se vede în figura 2.

Pasul 6: Testarea circuitului folosind Generatorul de funcții

Veți avea nevoie de: circuit pe panou, cabluri de conectare, o sursă de alimentare sau baterie de 9 V, National Instruments ADC, software LabView, un computer

Pentru a testa instrumentația LabView, un ECG simulat a fost introdus în circuit, iar ieșirea circuitului a fost conectată la LabView prin ADN-ul National Instruments. Mai întâi, un semnal de 20mVpp la 1Hz a fost introdus în circuit pentru a simula bătăile inimii în repaus. Panoul frontal LabView este prezentat în imaginea de mai jos. Valurile P, T, U și complexul QRS sunt toate vizibile. BMP este corect calculat și afișat în indicatorul numeric. Există un câștig de aproximativ 8 V / 0,02 V = 400 prin circuit, care este similar cu ceea ce am văzut când circuitul a fost atașat la osciloscop. Este atașată o imagine a rezultatului în LabView. Apoi, pentru a simula un ritm cardiac ridicat, de exemplu în timpul exercițiului, un semnal de 20mVpp la 2Hz a fost introdus în circuit. A existat un câștig comparabil cu testul la ritmul cardiac în repaus. Sub forma de undă se vede că are toate aceleași părți ca înainte, într-un ritm mai rapid. Ritmul cardiac este calculat și afișat în indicatorul numeric și vedem 120 BPM așteptate.

Pasul 7: Testează circuitul folosind subiectul uman

Veți avea nevoie de: circuit pe panou, cabluri de conectare, o sursă de alimentare sau baterie de 9 V, National Instruments ADC, software LabView, un computer, electrozi (cel puțin trei), un subiect uman

În cele din urmă, circuitul a testat cu un subiect uman ECG conduce intrarea în circuit și ieșirea circuitului care intră în LabView. Trei electrozi au fost așezați pe un subiect pentru a obține un semnal real. Electrozii au fost plasați pe ambele încheieturi și pe glezna dreaptă. Încheietura dreaptă a fost intrarea pozitivă, încheietura stângă a fost negativă și glezna a fost măcinată. Din nou, datele au fost introduse în LabView pentru procesare. Configurația electrodului este atașată ca imagine.

În primul rând, semnalul ECG în repaus al subiectului a fost afișat și analizat. În repaus, subiectul a avut o frecvență cardiacă de aproximativ 75 bpm. Subiectul a participat apoi la o activitate fizică intensă timp de 5 minute. Subiectul a fost reconectat și semnalul ridicat a fost înregistrat. Ritmul cardiac a fost de aproximativ 137 bpm după activitate. Acest semnal era mai mic și avea mai mult zgomot. Electrozii au fost plasați pe ambele încheieturi și pe glezna dreaptă. Încheietura dreaptă a fost intrarea pozitivă, încheietura stângă a fost negativă și glezna a fost măcinată. Din nou, datele au fost introduse în LabView pentru procesare.

O persoană obișnuită are un semnal ECG de aproximativ 1mV. Câștigul nostru așteptat a fost de aproximativ 1000, prin urmare ne-am aștepta la o tensiune de ieșire de 1V. Din înregistrarea în repaus văzută în imaginea XX, amplitudinea complexului QRS este aproximativ (-0,7) - (-1,6) = 0,9 V. Aceasta produce o eroare de 10%. (1-0.9) / 1 * 100 = 10% Ritmul cardiac în repaus al unui om standard este de 60, măsurat a fost de aproximativ 75, aceasta produce | 60-75 | * 100/60 = 25% eroare. Ritmul cardiac crescut al unui om standard este de 120, măsurat a fost de aproximativ 137, aceasta produce | 120-137 | * 100/120 = 15% eroare.

Felicitări! Acum v-ați construit propriul dvs. ECG automat.