EKG dixhitale dhe monitorues i rrahjeve të zemrës: 8 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:27

SH NOTNIM: Kjo nuk është një pajisje mjekësore. Kjo është për qëllime edukative vetëm duke përdorur sinjale të simuluara. Nëse përdorni këtë qark për matjet e vërteta të EKG-së, ju lutemi sigurohuni që qarku dhe lidhjet qark-instrument të përdorin energjinë e baterisë dhe teknika të tjera të duhura izolimi

Një elektrokardiogram (EKG) regjistron sinjale elektrike gjatë ciklit kardiak. Sa herë që zemra rreh, ekziston një cikël depolarizimi dhe hiper polarizimi i qelizave të miokardit. Depolarizimi dhe hiper polarizimi mund të regjistrohen me elektroda, dhe mjekët lexojnë atë informacion për të mësuar më shumë rreth asaj se si funksionon zemra. Një EKG mund të përcaktojë një infarkt miokardi, fibrilim atrial ose ventrikular, takikardi dhe bradikardi [1]. Pasi përcaktojnë se cili është problemi nga EKG, mjekët mund të diagnostikojnë dhe trajtojnë me sukses pacientin. Ndiqni hapat e mëposhtëm për të mësuar se si të bëni pajisjen tuaj të regjistrimit të elektrokardiogramit!

Hapi 1: Materialet

Komponentët e qarkut:

• Pesë amplifikatorë operacionalë UA741
• Rezistencat
• Kondensatorët
• Telat e kërcyesit
• Bordi DAQ
• Softueri LabVIEW

Pajisjet e testimit:

• Gjenerator funksionesh
• Furnizimi me energji DC
• Osciloskop
• Kabllot BNC dhe T-splitter
• Kabllo kërcyes
• Kapëse aligatorësh
• Priza banane

Hapi 2: Përforcuesi i instrumenteve

Faza e parë e qarkut është një përforcues instrumentesh. Kjo amplifikon sinjalin biologjik në mënyrë që përbërësit e ndryshëm të EKG të dallohen.

Diagrami i qarkut për amplifikatorin e instrumenteve është treguar më lart. Fitimi i fazës së parë të këtij qarku përcaktohet si K1 = 1 + 2*R2 / R1. Fitimi i fazës së dytë të qarkut përcaktohet si K2 = R4 / R3. Fitimi i përgjithshëm i amplifikatorit të instrumenteve është K1 * K2. Fitimi i dëshiruar për këtë projekt ishte afërsisht 1000, kështu që K1 u zgjodh 31 dhe K2 u zgjodh 33. Vlerat e rezistencës për këto përfitime janë treguar më lart në diagramin e qarkut. Ju mund të përdorni vlerat e rezistencës të treguar më lart, ose mund të modifikoni vlerat për të përmbushur përfitimin tuaj të dëshiruar. **

Pasi të keni zgjedhur vlerat tuaja përbërëse, qarku mund të ndërtohet në tabelën e bukës. Për të thjeshtuar lidhjet e qarkut në pjatën e ngrënies, shina horizontale negative në krye u vendos si tokë ndërsa dy shinat horizontale në pjesën e poshtme u vendosën përkatësisht +/- 15V.

Përforcuesi i parë op u vendos në anën e majtë të pjatës në mënyrë që të lërë hapësirë për të gjithë përbërësit e mbetur. Shtojcat u shtuan në rendin kronologjik të kunjave. Kjo e bën më të lehtë mbajtjen e shënimeve se cilat pjesë janë shtuar apo jo. Pasi të jenë përfunduar të gjitha kunjat për op amp 1, mund të vendoset amplifikatori tjetër op. Përsëri, sigurohuni që është relativisht afër për të lënë hapësirë. I njëjti proces kronologjik i kunjit u përfundua për të gjithë amperet op derisa amplifikatori i instrumenteve të përfundonte.

Kondensatorët e anashkalimit u shtuan pastaj përveç diagramit të qarkut në mënyrë që të heqin qafe bashkimin AC në tela. Këta kondensatorë u vendosën paralelisht me furnizimin me tension DC dhe u bazuan në shinën e sipërme negative horizontale. Këta kondensatorë duhet të jenë në rangun prej 0.1 deri 1 mikroFarad. Çdo përforcues op ka dy kondensatorë bypass, një për pin 4 dhe një për pin 7. Dy kondensatorët në secilin op amp duhet të kenë të njëjtën vlerë, por mund të ndryshojnë nga op amp në op amp.

Për të testuar amplifikimin, një gjenerator funksioni dhe një oshiloskop u lidhën përkatësisht hyrjen dhe daljen e amplifikatorit. Sinjali i hyrjes ishte i lidhur edhe me oshiloskopin. Një valë e thjeshtë sinus u përdor për të përcaktuar amplifikimin. Futni daljen e gjeneratorit të funksionit në dy terminalet hyrës të amplifikatorit të instrumenteve. Vendosni oshiloskopin për të matur raportin e sinjalit dalës me sinjalin hyrës. Fitimi i një qarku në decibel është Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). Për një fitim prej 1000, fitimi në decibel është 60dB. Duke përdorur oshiloskopin, mund të përcaktoni nëse përfitimi i qarkut tuaj të ndërtuar i plotëson specifikimet tuaja, ose nëse keni nevojë të ndryshoni disa vlera të rezistencës për të përmirësuar qarkun tuaj.

Pasi amplifikuesi i instrumenteve të jetë mbledhur dhe funksionuar siç duhet, mund të kaloni në filtrin e nivelit.

** Në diagramin e qarkut të sipërm, R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Hapi 3: Filtri i nivelit

Qëllimi i filtrit të nivelit është heqja e zhurmës nga furnizimi me energji i murit 60 Hz. Një filtër me nivel zvogëlon sinjalin në frekuencën e ndërprerjes dhe kalon frekuencat mbi dhe poshtë tij. Për këtë qark, frekuenca e dëshiruar e ndërprerjes është 60 Hz.

Ekuacionet qeverisëse për diagramin e qarkut të treguar më sipër janë R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C), dhe R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), ku Q është faktori i cilësisë dhe w është 2 * pi * (frekuenca e ndërprerjes). Një faktor cilësor prej 8 jep vlera të rezistencës dhe kondensatorit në një interval të arsyeshëm. Vlerat e kondensatorit mund të supozohet se të gjitha janë të njëjta. Kështu, ju mund të zgjidhni një vlerë të kondensatorit të disponueshëm në pajisjet tuaja. Vlerat e rezistencës të paraqitura në qarkun e mësipërm janë për një frekuencë ndërprerjeje prej 60 Hz, një faktor cilësie prej 8, dhe një vlerë kondensatori prej 0.22 uF.

Meqenëse kondensatorët shtohen paralelisht, dy kondensatorë të vlerës së zgjedhur C u vendosën paralelisht për të arritur një vlerë prej 2C. Gjithashtu, kondensatorët e anashkalimit u shtuan në amplifikatorin op.

Për të testuar filtrin e nivelit, lidhni daljen nga gjeneratori i funksionit me hyrjen e filtrit të nivelit. Vëzhgoni hyrjen dhe daljen e qarkut në një oshiloskop. Për të pasur një filtër efektiv të nivelit, duhet të keni një fitim më të vogël ose të barabartë me -20dB në frekuencën e ndërprerjes. Meqenëse përbërësit nuk janë idealë, kjo mund të jetë e vështirë të arrihet. Vlerat e llogaritura të rezistencës dhe kondensatorit mund të mos ju japin fitimin e dëshiruar. Kjo do t'ju kërkojë të bëni ndryshime në vlerat e rezistencës dhe kondensatorit.

Për ta bërë këtë, përqendrohuni në një përbërës në të njëjtën kohë. Rritni dhe zvogëloni vlerën e një komponenti të vetëm pa ndryshuar ndonjë përbërës tjetër. Vëzhgoni efektet që ka kjo në fitimin e qarkut. Kjo mund të kërkojë shumë durim për të arritur fitimin e dëshiruar. Mos harroni, ju mund të shtoni rezistencë në seri për të rritur ose ulur vlerat e rezistencës. Ndryshimi që përmirësoi fitimin tonë më së shumti ishte rritja e një prej kondensatorëve në 0.33 uF.

Hapi 4: Filtri me kalim të ulët

Filtri me kalim të ulët heq zhurmën me frekuencë më të lartë që mund të ndërhyjë në sinjalin EKG. Një ndërprerje e ulët e kalimit prej 40 Hz është e mjaftueshme për të kapur informacionin e formës valore të EKG -së. Sidoqoftë, disa përbërës të EKG tejkalojnë 40 Hz. Një ndërprerje 100 Hz ose 150 Hz gjithashtu mund të përdoret [2].

Filtri i kalimit të ulët i ndërtuar është një filtër Butterworth i Rendit të Dytë. Meqenëse fitimi i qarkut tonë përcaktohet nga përforcuesi i instrumenteve, ne duam një fitim prej 1 brenda brezit për filtrin e kalimit të ulët. Për një përfitim prej 1, RA është qark i shkurtër dhe RB është qark i hapur në diagramin e qarkut më sipër [3]. Në qark, C1 = 10 / (fc) uF, ku fc është frekuenca e ndërprerjes. C1 duhet të jetë më i vogël ose i barabartë me C2 * a^2 / (4 * b). Për një filtër të rendit të dytë Butterworth, a = sqrt (2) dhe b = 1. Duke futur vlerat për a dhe b, ekuacioni për C2 thjeshtohet në më pak se ose i barabartë me C1 / 2. Pastaj R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a^2 * C2^2 - 4 * b * C1 * C2))] dhe R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), ku w = 2 * pi * fc Llogaritjet për këtë qark u përfunduan për të siguruar një ndërprerje prej 40Hz. Vlerat e rezistencës dhe kondensatorit që plotësojnë këto specifikime janë treguar në diagramin e qarkut të mësipërm.

Përforcuesi op u vendos në anën e djathtë të dërrasës së bukës pasi asnjë komponent tjetër nuk do të shtohet pas tij. Rezistentët dhe kondensatorët u shtuan në op op në mënyrë që të përfundojnë qarkun. Kondensatorët e anashkalimit u shtuan gjithashtu në amplifikatorin op. Terminali i hyrjes u la bosh pasi hyrja do të vijë nga sinjali i daljes së filtrit të nivelit. Sidoqoftë, për qëllime testimi, një tel u vendos në kunjin e hyrjes në mënyrë që të jetë në gjendje të izolojë filtrin e kalimit të ulët dhe ta testojë atë individualisht.

Një valë sinus nga gjeneratori i funksionit u përdor si sinjal hyrës dhe u vëzhgua në frekuenca të ndryshme. Vëzhgoni si sinjalet hyrëse ashtu edhe dalëse në një oshiloskop dhe përcaktoni fitimin e qarkut në frekuenca të ndryshme. Për një filtër me kalim të ulët, fitimi në frekuencën e ndërprerjes duhet të jetë -3db. Për këtë qark, ndërprerja duhet të ndodhë në 40 Hz. Frekuencat nën 40Hz duhet të kenë pak ose aspak zbutje në formën e tyre të valës, por me rritjen e frekuencës mbi 40 Hz, fitimi duhet të vazhdojë të rrokulliset.

Hapi 5: Montimi i Fazave të Qarkut

Pasi të keni ndërtuar secilën fazë të qarkut dhe t'i keni testuar ato në mënyrë të pavarur, mund t'i lidhni të gjitha. Dalja e amplifikatorit të instrumenteve duhet të lidhet me hyrjen e filtrit të nivelit. Dalja e filtrit të nivelit duhet të lidhet me hyrjen e filtrit të kalimit të ulët.

Për të testuar qarkun, lidhni hyrjen e gjeneratorit të funksionit në hyrjen e fazës së amplifikatorit të instrumentacionit. Vëzhgoni hyrjen dhe daljen e qarkut në një oshiloskop. Ju mund të testoni me një valë EKG të para-programuar nga gjeneratori i funksionit, ose me një valë sinus dhe të vëzhgoni efektet e qarkut tuaj. Në imazhin e oshiloskopit të mësipërm, kurba e verdhë është forma e valës hyrëse, dhe kurba jeshile është dalja.

Pasi të keni lidhur të gjitha fazat e qarkut tuaj dhe të demonstroni se funksionon siç duhet, mund të lidhni daljen e qarkut tuaj me tabelën DAQ dhe të filloni programimin në LabVIEW.

Hapi 6: Programi LabVIEW

Kodi LabVIEW është për të zbuluar rrahjet për metër nga një valë e simuluar EKG në frekuenca të ndryshme. Për të programuar në LabVIEW duhet së pari të identifikoni të gjithë përbërësit. Një konvertues analog në dixhital, i njohur gjithashtu si bordi i marrjes së të dhënave (DAQ), duhet të konfigurohet dhe të vendoset që të funksionojë vazhdimisht. Sinjali dalës nga qarku është i lidhur me hyrjen e bordit DAQ. Grafiku i formës valore në programin LabVIEW është i lidhur drejtpërdrejt me daljen e asistentit DAQ. Dalja nga të dhënat DAQ gjithashtu shkon në identifikuesin max/min. Sinjali pastaj kalon përmes një operatori aritmetik të shumëzimit. Treguesi numerik prej 0.8 përdoret për të llogaritur vlerën e pragut. Kur sinjali tejkalon 0.8*Maksimumi, zbulohet një kulm. Sa herë që kjo vlerë u gjet ajo ishte e ruajtur në grupin e indeksit. Dy pikat e të dhënave ruhen në grupin e indeksit dhe futen në operatorin aritmetik të zbritjes. Ndryshimi në kohë u gjet midis këtyre dy vlerave. Pastaj, për të llogaritur rrahjet e zemrës, 60 pjesëtohet me diferencën kohore. Një tregues numerik, i cili shfaqet pranë grafikut dalës, nxjerr rrahjet e zemrës në rrahje në minutë (bpm) të sinjalit hyrës. Pasi programi të jetë i konfiguruar, i gjithë ai duhet të vendoset brenda një cikli të vazhdueshëm. Hyrjet e ndryshme të frekuencës japin vlera të ndryshme bpm.

Hapi 7: Mblidhni të dhënat e EKG -së

Tani mund të futni një sinjal të simuluar EKG në qarkun tuaj dhe të regjistroni të dhëna në programin tuaj LabVIEW! Ndryshoni frekuencën dhe amplitudën e EKG të simuluar për të parë se si ndikon kjo në të dhënat tuaja të regjistruara. Ndërsa ndryshoni frekuencën, duhet të shihni një ndryshim në rrahjet e llogaritura të zemrës. Ju keni krijuar me sukses një EKG dhe një monitor të rrahjeve të zemrës!

Hapi 8: Përmirësime të mëtejshme

Pajisja e ndërtuar do të funksionojë mirë për marrjen e sinjaleve të simuluara të EKG -së. Sidoqoftë, nëse dëshironi të regjistroni sinjale biologjike (sigurohuni që të ndiqni masat paraprake të sigurisë), modifikime të mëtejshme duhet të bëhen në qarqe për të përmirësuar leximin e sinjalit. Një filtër me kalim të lartë duhet të shtohet për të hequr artefaktet e kompensimit DC dhe lëvizjes me frekuencë të ulët. Fitimi i amplifikatorit të instrumenteve duhet gjithashtu të zvogëlohet me dhjetëfish për të qëndruar brenda intervalit të përdorshëm për LabVIEW dhe amperët op.

Burimet

[1] S. Meek dhe F. Morris, “Hyrje. II-terminologjia bazë.”, BMJ, vëll. 324, nr. 7335, faqe 470–3, shkurt 2002.

[2] Chia-Hung Lin, Karakteristikat e fushës së frekuencës për EKG mundin diskriminimin duke përdorur klasifikuesin gri bazuar në analizën relacionale, Në Kompjuter dhe Matematikë me Aplikime, Vëllimi 55, Çështja 4, 2008, Faqet 680-690, ISSN 0898-1221, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii…

[3] “Filtri i Rendit të Dytë | Dizajni i filtrit të rendit të dytë të ulët. " Tutorials Elektronikë Bazë, 9 Shtator 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…