Litar ECG Ringkas dan Program Denyutan Jantung LabVIEW: 6 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:12

Elektrokardiogram, atau selanjutnya disebut ECG, adalah sistem diagnostik dan pemantauan yang sangat kuat yang digunakan dalam semua amalan perubatan. ECG digunakan untuk memerhatikan aktiviti elektrik jantung secara grafik untuk memeriksa kelainan pada kadar denyutan jantung atau isyarat elektrik.

Dari bacaan ECG, degupan jantung pesakit dapat ditentukan oleh jarak masa antara kompleks QRS. Selain itu, keadaan perubatan lain dapat dikesan seperti serangan jantung yang tertunda oleh peningkatan segmen ST. Pembacaan seperti ini boleh menjadi penting untuk mendiagnosis dan merawat pesakit dengan betul. Gelombang P menunjukkan penguncupan atrium jantung, lengkung QRS adalah pengecutan ventrikel, dan gelombang T adalah repolarisasi jantung. Mengetahui walaupun maklumat ringkas seperti ini dapat mendiagnosis pesakit dengan cepat kerana fungsi jantung yang tidak normal.

ECG standard yang digunakan dalam praktik perubatan mempunyai tujuh elektrod yang diletakkan dalam pola separa bulat ringan di sekitar bahagian bawah jantung. Peletakan elektrod ini memungkinkan untuk kebisingan minimum semasa merakam dan juga memungkinkan pengukuran yang lebih konsisten. Untuk tujuan rangkaian ECG yang dibuat, kami hanya akan menggunakan tiga elektrod. Elektrod input positif akan diletakkan di pergelangan tangan kanan sebelah kanan, elektrod input negatif akan diletakkan di pergelangan tangan kiri kiri, dan elektrod tanah akan disambungkan ke pergelangan kaki. Ini akan membolehkan pembacaan dilakukan di seluruh jantung dengan ketepatan relatif. Dengan penempatan elektrod ini disambungkan ke penguat instrumentasi, penapis lulus rendah, dan penapis takik, bentuk gelombang ECG mudah dibezakan sebagai isyarat output dari litar yang dibuat.

CATATAN: Ini bukan alat perubatan. Ini untuk tujuan pendidikan hanya menggunakan isyarat simulasi. Sekiranya menggunakan litar ini untuk pengukuran ECG sebenar, pastikan rangkaian dan sambungan litar-ke-instrumen menggunakan teknik pengasingan yang betul

Langkah 1: Konstruk Penguat Instrumentasi

Untuk membina instrumen bertingkat dengan keuntungan 1000, atau 60 dB, persamaan berikut harus digunakan.

Keuntungan = (1 + 2 * R1 / Rgain)

R1 sama dengan semua perintang yang digunakan dalam penguat instrumentasi selain dari perintang penguatan yang pada satu segi akan menyebabkan semua keuntungan terlibat dalam tahap pertama penguat. Ini dipilih menjadi 50.3 kΩ. Untuk mengira perintang keuntungan, nilai ini dimasukkan ke dalam persamaan di atas.

1000 = (1 + 2 * 50300 / Rgain)

Nilai = 100.7

Setelah nilai ini dikira, penguat instrumentasi dapat dibina seperti litar berikut yang ditunjukkan dalam langkah ini. OP / AMP harus digerakkan dengan voltan positif dan negatif 15 seperti yang ditunjukkan dalam rajah litar. Kapasitor pintasan untuk setiap OP / AMP harus diletakkan berdekatan dengan OP / AMP secara bersiri dengan bekalan kuasa untuk meredam sebarang isyarat AC yang berasal dari sumber kuasa ke tanah untuk mengelakkan OP / AMP digoreng dan sebarang bunyi tambahan yang mungkin menyumbang ke isyarat. Juga, untuk menguji keuntungan sebenar litar, nod elektrod positif harus diberi gelombang sinus input dan nod elektrod negatif harus dihubungkan ke tanah. Ini akan membolehkan keuntungan litar dapat dilihat dengan tepat dengan isyarat input kurang dari 15 mV ke puncak.

Langkah 2: Bina Penapis Lulus Rendah Pesanan ke-2

Penapis lulus pesanan rendah kedua digunakan untuk menghilangkan bunyi di atas frekuensi minat untuk isyarat EKG yang 150 Hz.

Nilai K yang digunakan dalam pengiraan untuk saringan lulus rendah urutan kedua adalah keuntungan. Kerana kami tidak menginginkan keuntungan dalam penapis kami, kami memilih nilai keuntungan 1 yang bermaksud voltan input akan sama dengan voltan keluaran.

K = 1

Untuk penapis Butterworth pesanan kedua yang akan digunakan untuk litar ini, pekali a dan b ditentukan di bawah. a = 1.414214 b = 1

Pertama, nilai kapasitor kedua dipilih untuk menjadi kapasitor yang agak besar yang mudah didapati di makmal dan dunia nyata.

C2 = 0.1 F

Untuk mengira kapasitor pertama, hubungan berikut di antara ia dan kapasitor kedua digunakan. Koefisien K, a, dan b dimasukkan ke dalam persamaan untuk mengira berapa nilai ini.

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

Kerana kapasitor pertama dikira kurang dari atau sama dengan 50 nF, nilai kapasitor berikut dipilih.

C1 = 33 nF

Untuk mengira perintang pertama yang diperlukan untuk saringan lulus rendah pesanan kedua ini dengan frekuensi pemotongan 150 Hz, persamaan berikut diselesaikan menggunakan kedua-dua nilai kapasitor yang dikira dan pekali K, a, dan b. R1 = 2 / [(frekuensi cutoff) * [aC2 * sqrt ([(a ^ 2 + 4b (K-1)) C2 ^ 2-4bC1C2])]

R1 = 9478 Ohm

Untuk mengira perintang kedua, persamaan berikut digunakan. Frekuensi pemotongan sekali lagi ialah 150 Hz dan pekali b adalah 1.

R2 = 1 / [bC1C2R1 (frekuensi pemotongan) ^ 2]

R2 = 35.99 kOhmSetelah menghitung nilai di atas untuk perintang dan kapasitor yang diperlukan untuk saringan takik pesanan kedua, litar berikut dibuat untuk menunjukkan penapis lorong rendah aktif yang akan digunakan. OP / AMP dikuasakan dengan 15 volt positif dan negatif seperti yang ditunjukkan dalam rajah. Kapasitor pintas disambungkan ke sumber kuasa sehingga sebarang isyarat AC yang keluar dari sumber dialihkan ke tanah untuk memastikan OP / AMP tidak digoreng oleh isyarat ini. Untuk menguji tahap litar ECG ini, nod isyarat input harus disambungkan ke gelombang sinus dan sapuan AC dari 1 Hz hingga 200 Hz harus dilakukan untuk melihat bagaimana penapis berfungsi.

Langkah 3: Bentukkan Notch Filter

Penapis takik adalah bahagian yang sangat penting dari banyak litar untuk mengukur isyarat frekuensi rendah. Pada frekuensi rendah, kebisingan AC 60 Hz sangat biasa kerana frekuensi arus AC berjalan melalui bangunan di Amerika Syarikat. Bunyi 60 Hz itu tidak selesa kerana berada di tengah jalur hantaran untuk EKG, tetapi penapis takik dapat menghilangkan frekuensi tertentu sambil mengekalkan sisa isyarat. Semasa merancang saringan takik ini, sangat penting untuk mempunyai faktor kualiti tinggi, Q, untuk memastikan bahawa pemotongan pemotongan tajam di sekitar tempat menarik. Di bawah ini dinyatakan pengiraan yang digunakan untuk membina saringan takik aktif yang akan digunakan dalam litar ECG.

Pertama frekuensi minat, 60 Hz mesti ditukar dari Hz ke rad / s.

frekuensi = 2 * pi * frekuensi

frekuensi = 376.99 rad / saat

Seterusnya, lebar jalur pemotongan frekuensi harus dikira. Nilai-nilai ini ditentukan dengan cara yang memastikan bahawa frekuensi minat utama, 60 Hz, terputus sepenuhnya dan hanya beberapa frekuensi sekitarnya yang sedikit terpengaruh.

Jalur Lebar = Cutoff2-Cutoff1

Lebar jalur = 37.699 Faktor kualiti mesti ditentukan seterusnya. Faktor kualiti menentukan seberapa tajam kedudukan dan seberapa sempit pemotongan bermula. Ini dikira menggunakan lebar jalur dan kekerapan minat. Q = frekuensi / Lebar Jalur

S = 10

Nilai kapasitor yang tersedia dipilih untuk penapis ini. Kapasitor tidak perlu besar dan pastinya tidak boleh terlalu kecil.

C = 100 nF

Untuk mengira perintang pertama yang digunakan dalam saringan takik aktif ini, hubungan berikut digunakan yang melibatkan faktor kualiti, kekerapan minat, dan kapasitor yang dipilih.

R1 = 1 / [2QC * kekerapan]

R1 = 1326.29 Ohm

Perintang kedua yang digunakan dalam penapis ini dikira menggunakan hubungan berikut.

R2 = 2Q / [frekuensi * C]

R2 = 530516 Ohm

Perintang akhir untuk penapis ini dikira menggunakan dua nilai perintang sebelumnya. Ia dijangka sangat serupa dengan perintang pertama yang dikira.

R3 = R1 * R2 / [R1 + R2]

R3 = 1323 Ohm

Setelah semua nilai komponen dihitung menggunakan persamaan yang dijelaskan di atas, saringan takik berikut harus dibina untuk menyaring bunyi AC 60 Hz dengan tepat yang akan mengganggu isyarat EKG. OP / AMP harus dihidupkan dengan voltan positif dan negatif 15 volt seperti yang ditunjukkan dalam litar di bawah. Kapasitor pintas disambungkan dari sumber kuasa pada OP / AMP sehingga sebarang isyarat AC yang berasal dari sumber kuasa dialihkan ke tanah untuk memastikan OP / AMP tidak digoreng. Untuk menguji bahagian litar ini, isyarat input harus disambungkan ke gelombang sinus dan sapuan AC harus dilakukan dari 40 Hz hingga 80 Hz untuk melihat penapisan isyarat 60 Hz.

Langkah 4: Buat Program LabVIEW untuk Mengira Denyutan Jantung

LabVIEW adalah alat yang berguna untuk menjalankan instrumen serta mengumpulkan data. Untuk mengumpulkan data ECG, papan DAQ digunakan yang akan membaca voltan input pada kadar persampelan 1 kHz. Tegangan input ini kemudian dikeluarkan ke plot yang digunakan untuk memaparkan rakaman ECG. Data yang dikumpulkan kemudian melalui pencari maksimum yang menghasilkan nilai maksimum yang dibaca. Nilai-nilai ini memungkinkan ambang puncak dikira pada 98% daripada output maksimum. Setelah itu, alat pengesan puncak digunakan untuk menentukan kapan data lebih besar daripada ambang tersebut. Data ini bersama dengan waktu antara puncak dapat digunakan untuk menentukan degup jantung. Pengiraan mudah ini dengan tepat akan menentukan kadar denyutan jantung dari voltan input yang dibaca oleh papan DAQ.

Langkah 5: Menguji

Setelah membina litar anda, anda sudah bersedia untuk meletakkannya di tempat kerja! Pertama, setiap peringkat harus diuji dengan penyapu frekuensi AC dari 0,05 Hz hingga 200 Hz. Voltan input tidak boleh lebih besar dari puncak 15 mV ke puncak sehingga isyarat tidak dilepaskan oleh batasan OP / AMP. Seterusnya, sambungkan semua litar dan jalankan sapuan AC penuh sekali lagi untuk memastikan semuanya berfungsi dengan baik. Setelah anda berpuas hati dengan keluaran litar lengkap anda, tiba masanya untuk menghubungkan diri anda dengannya. Letakkan elektrod positif di pergelangan tangan kanan dan elektrod negatif di pergelangan tangan kiri anda. Letakkan elektrod tanah di pergelangan kaki anda. Sambungkan output litar lengkap ke papan DAQ anda dan jalankan program LabVIEW. Isyarat ECG anda kini boleh dilihat pada grafik bentuk gelombang di komputer. Sekiranya tidak atau terdistorsi cuba turunkan keuntungan litar ke sekitar 10 dengan menukar perintang penguatan yang sesuai. Ini membolehkan isyarat dibaca oleh program LabVIEW.