مدار جمع آوری ECG: 5 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:57

توجه: این دستگاه پزشکی نیست. این فقط برای اهداف آموزشی با استفاده از سیگنال های شبیه سازی شده است. اگر از این مدار برای اندازه گیری ECG واقعی استفاده می کنید ، لطفاً اطمینان حاصل کنید که مدار و اتصالات مدار به ابزار از تکنیک های جداسازی مناسب استفاده می کنند

شاید رایج ترین اندازه گیری فیزیولوژیکی در صنعت مراقبت های بهداشتی امروزی الکتروکاردیوگرام (ECG/EKG) باشد. راه رفتن در بیمارستان یا اورژانس بدون شنیدن "بوق" سنتی مانیتور ضربان قلب یا مشاهده شکل موج نوار قلب در صفحه بیمار در اتاق بیمار دشوار است. اما ، این اندازه گیری چیست که اینقدر با مراقبت های بهداشتی مدرن مرتبط شده است؟

الکتروکاردیوگرام اغلب با ثبت فعالیت بدنی قلب اشتباه گرفته می شود ، اما همانطور که از نامش پیداست در واقع ثبت فعالیت الکتریکی ، دپلاریزاسیون و دو قطبی شدن ماهیچه های قلب است. با تجزیه و تحلیل شکل موج ثبت شده ، پزشکان می توانند بینشی در مورد رفتار سیستم الکتریکی قلب به دست آورند. برخی از تشخیص های رایج که از داده های نوار قلب انجام می شود عبارتند از: انفارکتوس میوکارد ، آمبولی ریه ، آریتمی و بلوک های AV.

دستورالعمل زیر فرایند و اصول مورد استفاده برای ساخت یک مدار الکتریکی اساسی را که قادر به جمع آوری نوار قلب با استفاده از الکترودهای سطحی ساده است ، همانطور که در بیمارستان ها انجام می شود ، بیان می کند.

مرحله 1: یک تقویت کننده ابزار طراحی کنید

اولین عنصر مدار مورد نیاز برای ضبط سیگنال نوار قلب ، تقویت کننده ابزار دقیق است. این تقویت کننده دو افکت دارد.

1. یک بافر الکترونیکی بین الکترودهای ضبط و بقیه مدار ایجاد می کند. این امر جریان کشش مورد نیاز از الکترودها را عملاً به صفر می رساند. اجازه جمع آوری سیگنال با اعوجاج بسیار کم ناشی از امپدانس ورودی.

2. سیگنال ثبت شده را به صورت متفاوتی تقویت می کند. این بدان معناست که هرگونه سیگنال مشترک در هر دو الکترود ضبط تقویت نمی شود ، در حالی که تفاوت ها (قسمتهای مهم) بیشتر خواهد بود.

به طور معمول ضبط الکترودهای سطحی برای نوار قلب در محدوده میلی ولت خواهد بود. بنابراین ، برای رساندن این سیگنال به محدوده ای که می توانیم با تقویت (K) 1000 V/V کار کنیم ، مناسب خواهد بود.

معادلات حاکم بر تقویت کننده نشان داده شده در بالا عبارتند از:

K1 = 1 + 2*R2 / R1 ، این مرحله 1 است

K2 = - R4/R3 ، این مرحله 2 است

توجه داشته باشید که در حالت ایده آل ، K1 و K2 باید تقریباً برابر باشند و برای رسیدن به تقویت مورد نظر K1 * K2 = 1000

مقادیر نهایی مورد استفاده در مدار ما عبارت بودند از….

R1 = 6.5 کیلو اهم

R2 = 100 کیلو اهم

R3 = 3.17 کیلو اهم

R4 = 100 کیلو اهم

مرحله 2: طراحی فیلتر ناچ

به احتمال زیاد در دنیای مدرن جمع آوری نوار قلب در نزدیکی برخی وسایل الکترونیکی دیگر یا حتی در ساختمانی که از خطوط برق محلی با برق تامین می شود انجام می شود. متأسفانه ، ولتاژ بالا و نوسان قدرت ارائه شده به این معنی است که مقدار زیادی "نویز" الکتریکی را تقریباً در هر ماده رسانایی که در نزدیکی آن قرار دارد تولید می کند. این شامل سیم ها و عناصر مدار مورد استفاده برای ساخت مدار جمع آوری ECG ما است.

برای مقابله با این امر ، هر سیگنالی با فرکانس برابر نویز ایجاد شده توسط منبع تغذیه محلی (که به آن زنگ اصلی می گویند) می تواند به سادگی فیلتر شده و اساساً حذف شود. در ایالات متحده ، شبکه برق 110-120V با فرکانس 60 هرتز تأمین می کند. بنابراین ، ما باید هر جزء سیگنال را با فرکانس 60 هرتز فیلتر کنیم. خوشبختانه ، این کار بارها انجام شده است و فقط نیاز به طراحی فیلتر ناچ (تصویر بالا) دارد.

معادلات حاکم بر این فیلتر عبارتند از….

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

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

Q = w / B

که در آن wc2 فرکانس قطع بالا ، w2 فرکانس قطع پایین ، w فرکانس قطع در rad/sec و Q یک عامل کیفیت است

توجه داشته باشید که C مقداری است که می توان آزادانه انتخاب کرد. مقادیر زیر در مدار ما استفاده می شود:

R1 = 1.65 کیلو اهم

R2 = 424.5 کیلو اهم

Q = 8

w = 120 * pi rad/sec

مرحله 3: فیلتر Low-Pass

فرکانس سیگنالهای ECG بین 0 تا 150 هرتز است. به منظور جلوگیری از اتصال نویز بیشتر بر روی سیگنال از چیزهایی با فرکانس بالاتر از این محدوده ، فیلتر درجه دوم کم گذر باتر ورث با قطع 150 هرتز اجرا شد تا فقط سیگنال ECG از مدار عبور کند. به جای انتخاب فوری مقدار خازن موجود ، مانند اجزای قبلی ، اولین مقدار خازن ، C2 ، بر اساس فرمول زیر انتخاب شد. از این مقدار ، همه مقادیر دیگر جزء را می توان محاسبه و سپس به مدار اضافه کرد در حالی که بازده را دوباره در 1 ولت/ولت نگه داشت.

C2 ≈ 10/fc uf ، جایی که fc فرکانس قطع است (برای این مورد 150 هرتز).

سپس ، مقادیر باقی مانده را می توان محاسبه کرد که در جدول موجود به عنوان تصویر دوم در این مرحله نشان داده شده است.

مقادیر نهایی مورد استفاده در شماتیک بالا عبارتند از:

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22.47 کیلو اهم

R2 = 22.56 کیلو اهم

مرحله 4: آماده سازی LabVIEW

تنها مواد مورد نیاز برای این بخش از مجموعه ECG یک رایانه ویندوزی است که مجهز به یک نسخه 64 بیتی از LabVIEW و یک Board Conditioning Signal National Instruments () با یک ماژول ورودی است. سپس بلوک دیاگرام عملکردی در LabVIEW باید به روش زیر ساخته شود. با باز کردن یک نمودار بلوک عملکردی خالی شروع کنید.

یک بلوک DAQ Assistant را وارد کرده و تنظیمات را با موارد زیر تنظیم کنید:

اندازه گیری: آنالوگ → ولتاژ

حالت: RSE

نمونه گیری: نمونه گیری مداوم

نمونه های جمع آوری شده: 2500

نرخ نمونه برداری: 1000 / ثانیه

شکل موج جمع آوری شده را به نمودار شکل موج خروجی دهید. علاوه بر این ، حداکثر مقدار داده های شکل موج فعلی را محاسبه کنید. حداکثر مقدار موج را در مقداری مانند.8 ضرب کنید تا آستانه ای برای تشخیص پیک ایجاد شود ، این مقدار را می توان بر اساس سطح نویز درون سیگنال تنظیم کرد. داده های محصول مرحله قبل را به عنوان آستانه و آرایه ولتاژ خام را به عنوان داده های عملکرد "تشخیص قله" وارد کنید. در مرحله بعد ، خروجی "Location" آرایه تشخیص پیک را گرفته و مقادیر اول و دوم را کم کنید. این نشان دهنده تفاوت مقادیر شاخص دو قله در آرایه اولیه است. سپس می توان با تقسیم مقدار بر نرخ نمونه به تفاوت زمانی تبدیل کرد ، برای مثال این مقدار 1000 /ثانیه است. در نهایت ، معکوس این مقدار (دادن Hz) را در نظر بگیرید و در 60 ضرب کنید تا ضربان قلب را بر حسب ضربان در دقیقه BPM بدست آورید. بلوک دیاگرام نهایی برای این باید شبیه تصویر هدر این مرحله باشد.

مرحله 5: ادغام کامل سیستم

اکنون که همه اجزا به صورت جداگانه ساخته شده اند ، وقت آن است که مرکز خرید را کنار هم قرار دهیم. این را می توان به سادگی سیم کشی خروجی یک بخش به ورودی بخش زیر انجام داد. مراحل باید به همان ترتیب سیم کشی شوند که در این دستورالعمل نشان داده شده است. برای آخرین مرحله ، فیلتر ButterWorth ، ورودی آن باید به یکی از دو سیم موجود در ماژول ورودی برد تهویه سیگنال متصل شود. سیم دیگر این ماژول باید به مدارهای مشترک متصل شود.

برای تقویت کننده ابزار دقیق ، دو سر آن باید به الکترود ECG/EKG متصل شود. این کار به راحتی با استفاده از دو گیره تمساح انجام می شود. سپس ، یک الکترود روی هر مچ قرار دهید. اطمینان حاصل کنید که همه بخشهای مدار متصل هستند و LabVIEW VI در حال اجرا است و سیستم باید یک نمودار شکل موج را در پنجره LabVIEW در حال خروج باشد.

خروجی باید شبیه تصویر دوم ارائه شده در این مرحله باشد. اگر مشابه نیست ، مقادیر مدار شما ممکن است نیاز به تنظیم داشته باشد. یکی از مشکلات رایج این است که فیلتر ناچ مستقیماً در 60 هرتز متمرکز نمی شود و ممکن است کمی تا زیاد/پایین باشد. این را می توان با ایجاد یک نمودار bode برای فیلتر آزمایش کرد. در حالت ایده آل ، فیلتر ناچ حداقل 20 دسی بل در 60 هرتز تضعیف خواهد شد. همچنین ممکن است بررسی کنید که منبع تغذیه محلی شما با 60 هرتز تأمین می شود. غیر معمول نیست که برخی مناطق دارای منبع تغذیه AC 50 هرتز باشند ، این امر مستلزم متمرکز کردن فیلتر ناچ در اطراف این مقدار است.