Simpleng ECG Circuit at LabVIEW Heart Rate Program: 6 Mga Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:15

Ang isang Electrocardiogram, o karagdagang tinukoy bilang isang ECG, ay isang napakalakas na sistemang diagnostic at monitoring na ginagamit sa lahat ng kasanayan sa medisina. Ginagamit ang ECG's upang maobserbahan ang aktibidad ng elektrikal ng puso nang grapiko upang suriin ang mga abnormalidad sa rate ng puso o de-koryenteng pagbibigay ng senyas.

Mula sa isang pagbabasa ng ECG, ang rate ng puso ng mga pasyente ay maaaring matukoy ng agwat ng oras sa pagitan ng mga QRS complex. Bilang karagdagan, ang iba pang mga kondisyong medikal ay maaaring napansin tulad ng isang nakabinbing atake sa puso ng isang pagtaas ng segment ng ST. Ang mga pagbabasa tulad nito ay maaaring maging mahalaga sa pag-diagnose at paggamot ng maayos sa isang pasyente. Ipinapakita ng alon ng P ang pag-ikli ng atrium ng puso, ang QRS curve ay ang ventricular contraction, at ang T wave ay ang muling pagbago ng puso. Ang pag-alam kahit na simpleng impormasyon tulad nito ay maaaring mabilis na masuri ang mga pasyente para sa hindi normal na pagpapaandar ng puso.

Ang isang pamantayang ECG na ginamit sa kasanayan sa medisina ay may pitong mga electrode na inilalagay sa isang banayad na kalahating bilog na pattern sa paligid ng mas mababang rehiyon ng puso. Ang paglalagay ng mga electrode na ito ay nagbibigay-daan para sa kaunting ingay kapag nagre-record at nagbibigay-daan din para sa mas pare-pareho na mga sukat. Para sa aming layunin ng nilikha na ECG circuit, gagamitin lamang namin ang tatlong mga electrode. Ang positibong input electrode ay ilalagay sa kanang panloob na pulso, ang negatibong input electrode ay ilalagay sa kaliwang panloob na pulso, at ang ground electrode ay maiugnay sa bukung-bukong. Papayagan nitong makuha ang mga pagbabasa sa puso na may kawastuhan. Sa paglalagay ng mga electrodes na konektado sa isang instrumentation amplifier, isang mababang pass filter, at isang notch filter, ang mga ECG waveform ay dapat na madaling makilala bilang isang output signal mula sa nilikha circuit.

TANDAAN: Hindi ito isang medikal na aparato. Ito ay para sa mga layuning pang-edukasyon na gumagamit lamang ng mga simulate signal. Kung ginagamit ang circuit na ito para sa totoong mga sukat ng ECG, mangyaring tiyakin na ang circuit at ang mga koneksyon sa circuit-to-instrument ay gumagamit ng wastong mga diskarte sa paghihiwalay

Hakbang 1: Bumuo ng Amplifier ng Instrumentation

Upang makabuo ng isang instrumento ng multistage na may pakinabang na 1000, o 60 dB, dapat ilapat ang sumusunod na equation.

Makuha = (1 + 2 * R1 / Rgain)

Ang R1 ay katumbas ng lahat ng mga resistors na ginamit sa amplumentation ng instrumento bukod sa gain resistor na sa isang diwa ay magiging sanhi ng lahat ng pakinabang na maging kasangkot sa unang yugto ng amplifier. Pinili ito upang maging 50.3 kΩ. Upang makalkula ang nakuha na risistor, ang halagang ito ay naka-plug sa equation sa itaas.

1000 = (1 + 2 * 50300 / Rgain)

Muling ibayad = 100.7

Matapos makalkula ang halagang ito, maaaring maitayo ang amplifier ng instrumento bilang sumusunod na circuit na ipinapakita sa hakbang na ito. Ang mga OP / AMP ay dapat na pinalakas ng positibo at negatibong 15 volts tulad ng ipinakita sa circuit diagram. Ang mga bypass capacitor para sa bawat OP / AMP ay dapat na mailagay malapit sa OP / AMP sa serye na may suplay ng kuryente upang mapahina ang anumang AC signal na nagmumula sa pinagmulan ng kuryente patungo sa lupa upang maiwasan ang mga OP / AMP na maiprito at anumang karagdagang ingay na maaaring mag-ambag sa signal. Gayundin, upang subukan ang mga tunay na nakuha ng mga circuit, ang positibong node ng elektrod ay dapat bigyan ng isang input sine wave at ang negatibong electrode node ay dapat na konektado sa lupa. Papayagan nito ang pagkakaroon ng circuit na tumpak na makita ng isang input signal na mas mababa sa 15 mV na rurok hanggang sa rurok.

Hakbang 2: Buuin ang 2nd Order Low Pass Filter

Ang isang ika-2 na order ng low pass filter ay ginamit upang alisin ang ingay sa itaas ng dalas ng interes para sa ECG signal na 150 Hz.

Ang halagang K na ginamit sa mga kalkulasyon para sa 2nd order low pass filter ay ang nakuha. Dahil hindi namin nais ang anumang nakuha sa aming filter, pumili kami ng isang halaga na makakuha ng 1 na nangangahulugang ang input boltahe ay katumbas ng output boltahe.

K = 1

Para sa isang pangalawang order na filter ng Butterworth na gagamitin para sa circuit na ito, ang a at b coefficients ay tinukoy sa ibaba. a = 1.414214 b = 1

Una, ang pangalawang halaga ng capacitor ay pinili upang maging isang medyo malaking kapasitor na madaling magagamit sa lab at sa totoong mundo.

C2 = 0.1 F

Upang makalkula ang unang kapasitor, ginagamit ang mga sumusunod na ugnayan sa pagitan nito at ng pangalawang kapasitor. Ang K, a, at b coefficients ay naka-plug sa equation upang makalkula kung ano ang dapat na halagang ito.

C1 <= C2 * [a ^ 2 + 4b (K-1)] / 4b

C1 <= (0.1 * 10 ^ -6 [1.414214 ^ 2 + 4 * 1 (1-1)] / 4 * 1

C1 <= 50 nF

Dahil ang unang capacitor ay kinakalkula na mas mababa sa o katumbas ng 50 nF, ang sumusunod na halaga ng capacitor ay napili.

C1 = 33 nF

Upang makalkula ang unang risistor na kinakailangan para sa pangalawang order na ito ng mababang pass filter na may isang cut off frequency na 150 Hz, ang sumusunod na equation ay nalutas gamit ang parehong kinakalkula na mga halaga ng capacitor at ang mga coefficients K, a, at b. R1 = 2 / [(dalas ng cutoff) * [aC2 * sqrt ([(a ^ 2 + 4b (K-1)) C2 ^ 2-4bC1C2])]

R1 = 9478 Ohm

Upang makalkula ang pangalawang risistor, ginamit ang sumusunod na equation. Ang dalas ng cutoff muli ay 150 Hz at ang b coefficient ay 1.

R2 = 1 / [bC1C2R1 (dalas ng cutoff) ^ 2]

R2 = 35.99 kOhmAfter pagkalkula ng mga halagang nasa itaas para sa mga resistors at capacitor na kinakailangan para sa isang pangalawang order na filter ng bingaw, ang sumusunod na circuit ay nilikha upang ipakita ang aktibong low pass filter na gagamitin. Ang OP / AMP ay pinalakas ng positibo at negatibong 15 volts tulad ng ipinakita sa diagram. Ang mga capacitor ng bypass ay konektado sa mga mapagkukunan ng kuryente upang ang anumang senyas ng AC na lalabas sa mapagkukunan ay maililipat sa lupa upang matiyak na ang OP / AMP ay hindi maiprito ng signal na ito. Upang masubukan ang yugtong ito ng circuit ng ECG, ang input signal node ay dapat na konektado sa isang sine wave at isang AC sweep mula sa 1 Hz hanggang 200 Hz dapat gumanap upang makita kung paano gumagana ang filter.

Hakbang 3: Buuin ang Filter ng Notch

Ang filter ng bingaw ay isang napakahalagang bahagi ng maraming mga circuit para sa pagsukat ng mga signal ng mababang dalas. Sa mababang mga frequency, 60 Hz AC ingay ay napaka-pangkaraniwan dahil ito ay ang dalas ng kasalukuyang AC na tumatakbo sa pamamagitan ng mga gusali sa Estados Unidos. Ang ingay na 60 Hz na iyon ay hindi maginhawa dahil nasa gitna ito ng pass band para sa ECG, ngunit ang isang pansukat na filter ay maaaring alisin ang mga tukoy na frequency habang pinapanatili ang natitirang signal. Kapag ang pagdidisenyo ng filter na ito ng bingaw, napakahalaga na magkaroon ng isang mataas na kalidad na kadahilanan, Q, upang matiyak na ang roll off ng cut-off ay matalim sa paligid ng point of interest. Sa ibaba ay detalyado ang mga kalkulasyon na ginamit upang makabuo ng isang aktibong filter ng bingaw na gagamitin sa circuit ng ECG.

Una ang dalas ng interes, 60 Hz ay dapat na mai-convert mula sa Hz hanggang sa rad / s.

dalas = 2 * pi * dalas

dalas = 376.99 rad / segundo

Susunod, dapat na kalkulahin ang bandwidth ng mga frequency cut. Ang mga halagang ito ay natutukoy sa isang paraan na tinitiyak na ang pangunahing dalas ng interes, 60 Hz, ay ganap na napuputol at iilan lamang sa mga nakapalibot na frequency ang bahagyang naapektuhan.

Bandwidth = Cutoff2-Cutoff1

Bandwidth = 37.699 Ang kalidad na kadahilanan ay dapat na natukoy sa susunod. Tinutukoy ng kadahilanan sa kalidad kung gaano talas ang bingaw at kung gaano kasikip ang pagsisimula ng cut-off. Kinakalkula ito gamit ang bandwidth at dalas ng interes. Q = dalas / Band Lapad

Q = 10

Ang isang madaling magagamit na halaga ng capacitor ay pinili para sa filter na ito. Ang capacitor ay hindi kailangang malaki at siguradong hindi dapat masyadong maliit.

C = 100 nF

Upang makalkula ang unang risistor na ginamit sa aktibong filter ng bingaw na ito, ang sumusunod na relasyon ay ginamit na kinasasangkutan ng kalidad na kadahilanan, dalas ng interes, at pinili ang capacitor.

R1 = 1 / [2QC * dalas]

R1 = 1326.29 Ohm

Ang pangalawang risistor na ginamit sa filter na ito ay kinakalkula gamit ang sumusunod na relasyon.

R2 = 2Q / [dalas * C]

R2 = 530516 Ohm

Ang huling resistor para sa filter na ito ay kinakalkula gamit ang nakaraang dalawang halagang resistor. Inaasahang magiging katulad ito sa unang resistor na kinakalkula.

R3 = R1 * R2 / [R1 + R2]

R3 = 1323 Ohm

Matapos makalkula ang lahat ng mga halaga ng sangkap gamit ang mga equation na inilarawan sa itaas, ang sumusunod na filter ng bingaw ay dapat na itayo upang tumpak na ma-filter ang ingay na 60 Hz AC na makagambala sa signal ng ECG. Ang OP / AMP ay dapat na pinalakas ng positibo at negatibong 15 volts tulad ng ipinakita sa circuit sa ibaba. Ang mga capacitor ng bypass ay konektado mula sa mga mapagkukunan ng kuryente sa OP / AMP upang ang anumang senyas ng AC na nagmumula sa pinagmumulan ng kuryente ay inilipat sa lupa upang matiyak na ang OP / AMP ay hindi piniprito. Upang masubukan ang bahaging ito ng circuit, ang input signal dapat na konektado sa isang alon ng sine at ang isang AC sweep ay dapat na isagawa mula 40 Hz hanggang 80 Hz upang makita ang pagsala ng 60 Hz signal.

Hakbang 4: Lumikha ng isang Programa sa LabVIEW upang Kalkulahin ang Rate ng Puso

Ang LabVIEW ay isang kapaki-pakinabang na tool para sa pagpapatakbo ng mga instrumento pati na rin ang pagkolekta ng data. Upang mangolekta ng data ng ECG, ginagamit ang isang DAQ board na magbabasa ng mga voltages ng pag-input sa isang rate ng sampling na 1 kHz. Ang mga input voltages ay pagkatapos ay output sa isang balangkas na ginagamit upang ipakita ang pag-record ng ECG. Ang data na nakolekta pagkatapos ay dumadaan sa isang max finder na naglalabas ng maximum na mga halagang binasa. Pinapayagan ng mga halagang ito para sa isang tuktok na threshold upang makalkula sa 98% ng maximum na output. Pagkatapos, ginagamit ang isang detektor ng rurok upang matukoy kung kailan mas malaki ang data kaysa sa threshold na iyon. Ang data na ito kasama ang oras sa pagitan ng mga tuktok ay maaaring magamit upang matukoy ang rate ng puso. Ang simpleng pagkalkula na ito ay tumpak na tumutukoy sa rate ng puso mula sa mga voltages ng input na binasa ng DAQ board.

Hakbang 5: Pagsubok

Matapos ang pagbuo ng iyong mga circuit ay handa ka na upang gumana ang mga ito! Una, ang bawat yugto ay dapat na masubukan sa isang AC sweep ng mga frequency mula sa 0.05 Hz hanggang 200 Hz. Ang input boltahe ay dapat na hindi hihigit sa 15 mV rurok sa rurok upang ang signal ay hindi rehas ng mga limitasyon ng OP / AMP. Susunod, ikonekta ang lahat ng mga circuit at magpatakbo muli ng isang buong AC sweep upang matiyak na ang lahat ay gumagana nang maayos. Matapos nasiyahan ka sa output ng iyong kumpletong circuit oras nito upang ikonekta ang iyong sarili dito. Ilagay ang positibong elektrod sa iyong kanang pulso at ang negatibong elektrod sa iyong kaliwang pulso. Ilagay ang ground electrode sa iyong bukung-bukong. Ikonekta ang output ng kumpletong circuit sa iyong DAQ board at patakbuhin ang programa ng LabVIEW. Ang iyong signal ng ECG ay dapat na makita sa graph ng alon sa computer. Kung ito ay hindi o baluktot subukang i-drop ang nakuha ng circuit pababa sa halos 10 sa pamamagitan ng pagbabago ng gain resistor nang naaayon. Pinapayagan nitong payagan ang senyas na mabasa ng programa ng LabVIEW.