Regjistrimi i Sinjaleve Bioelektrike: EKG dhe Monitorimi i Rrahjeve të Zemrës: 7 Hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:28

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 teknikat e duhura të izolimit.

Një elektrokardiogram (EKG) është një test në të cilin elektrodat sipërfaqësore vendosen në një subjekt në një mënyrë të caktuar për të zbuluar dhe matur aktivitetin elektrik të zemrës së subjektit [1]. Një EKG ka shumë përdorime dhe mund të funksionojë për të ndihmuar në diagnostikimin e gjendjeve të zemrës, testet e stresit dhe vëzhgimin gjatë operacionit. Një EKG gjithashtu mund të zbulojë ndryshimet në rrahjet e zemrës, aritmitë, një sulm në zemër dhe shumë përvoja dhe sëmundje të tjera [1] të përshkruara gjithashtu në deklaratën e problemit më lart. Sinjali kardiak i matur nga një EKG prodhon tre forma të dallueshme të valëve që përshkruajnë një ushqim të drejtpërdrejtë të zemrës që funksionon. Këto janë treguar në imazhin e mësipërm.

Qëllimi i këtij projekti është të krijojë një pajisje që mund të marrë sinjalin EKG nga një gjenerator dalës ose njerëzor dhe të riprodhojë sinjalin duke eleminuar zhurmën. Prodhimi i sistemit gjithashtu do të llogarisë BPM.

Le të fillojmë!

Hapi 1: Mblidhni të gjitha materialet

Për të krijuar këtë EKG, ne do të krijojmë një sistem që përbëhet nga dy pjesë kryesore, qarku dhe sistemi LabVIEW. Qëllimi i qarkut është të sigurohemi që po marrim sinjalin që duam. Ka shumë zhurmë ambienti që mund të mbyt sinjalin tonë të EKG -së, kështu që ne duhet të përforcojmë sinjalin tonë si dhe të filtrojmë çdo zhurmë. Pasi sinjali të jetë filtruar dhe përforcuar përmes qarkut, ne mund ta dërgojmë sinjalin e rafinuar në një program LabVIEW i cili do të shfaqë formën e valës si dhe do të llogarisë BPM. Materialet e mëposhtme janë të nevojshme për këtë projekt:

-Rezistori, kondensatori dhe përforcuesi operacional (op -amps -u përdorën UA741) komponentët elektrikë

-Burboard pa saldim për ndërtimin dhe testimin

-Furnizimi me energji DC për të siguruar energji për op-amps

-Gjeneruesi i funksionit për të furnizuar sinjalin bioelektrik

-Osciloskop për të parë sinjalin hyrës

-Bordi DAQ për të kthyer sinjalin nga analog në dixhital

-Softueri LabVIEW për vëzhgimin e sinjalit dalës

-BNC dhe kabllot e plumbit me fund të ndryshueshëm

Hapi 2: Dizajnimi i qarkut

Siç sapo diskutuam, është e nevojshme që të filtrojmë dhe të përforcojmë sinjalin tonë. Për ta bërë këtë, ne mund të vendosim 3 faza të ndryshme të qarkut tonë. Së pari, ne duhet të përforcojmë sinjalin tonë. Kjo mund të bëhet duke përdorur një përforcues instrumentesh. Në këtë mënyrë, sinjali ynë hyrës mund të shihet shumë më mirë në produktin përfundimtar. Ne duhet të kemi një filtër të nivelit në seri me këtë amplifikues instrumentesh. Filtri i nivelit do të përdoret për të eleminuar zhurmën nga burimi ynë i energjisë. Pas kësaj, mund të kemi një filtër me kalim të ulët. Meqenëse leximet e EKG -së janë zakonisht me frekuencë të ulët, ne duam të ndërpresim të gjitha frekuencat që janë në një frekuencë që është jashtë kufijve të leximit të EKG -së, kështu që ne përdorim një filtër me kalim të ulët. Këto faza shpjegohen më hollësisht në hapat e mëposhtëm.

Nëse keni probleme me qarkun tuaj, është mirë që të simuloni qarkun tuaj në një program online. Në këtë mënyrë, mund të kontrolloni nëse llogaritjet tuaja për vlerat e rezistencës dhe kondensatorit janë të sakta.

Hapi 3: Hartimi i Përforcuesit të Instrumentacionit

Për të vëzhguar sinjalin bioelektrik në mënyrë më efikase, sinjali duhet të amplifikohet. Për këtë projekt, fitimi për të arritur në përgjithësi është 1000 V/V. Për të arritur fitimin e specifikuar nga amplifikatori i instrumenteve, vlerat e rezistencës për qarkun u llogaritën me ekuacionet e mëposhtme:

(Faza 1) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(Faza 2) K2 = -R4 / R3

Ku secila nga fazat shumëzohet për të llogaritur fitimin e përgjithshëm. Vlerat e rezistencës të zgjedhura për të krijuar një përfitim prej 1000 V/V janë R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms, dhe R4 = 330 kOhms. Përdorni furnizimin me energji DC për të dhënë një gamë të tensionit +/- 15 V (duke mbajtur kufirin aktual të ulët) për të fuqizuar op-amps e qarkut fizik. Nëse dëshironi të kontrolloni vlerat e vërteta të rezistencave, ose dëshironi të arrini këtë përfitim para ndërtimit, mund të simuloni qarkun duke përdorur një program si PSpice ose CircuitLab në internet, ose përdorni një oshiloskop me një tension të caktuar sinjali hyrës dhe kontrolloni për të vërtetën fitimi pas ndërtimit të një përforcuesi fizik. Lidhni gjeneratorin e funksionit dhe oshiloskopin me amplifikatorin për të drejtuar qarkun.

Fotografia e mësipërme përshkruan se si duket qarku në programin simulues PSpice. Për të kontrolluar që qarku juaj po funksionon siç duhet, furnizoni një valë sinus prej 1 kHz 10 mV kulm-kulm nga gjeneratori i funksionit, përmes qarkut dhe në oshiloskop. Një valë sinus prej 10 V kulmin-kulmin duhet të respektohet në oshiloskop.

Hapi 4: Dizajnimi i filtrit Notch

Një problem specifik kur merret me këtë qark është fakti se një sinjal i zhurmës 60 Hz prodhohet nga linjat e furnizimit me energji në Shtetet e Bashkuara. Për të hequr këtë zhurmë, sinjali i hyrjes në qark duhet të filtrohet në 60 Hz, dhe cila mënyrë më e mirë për ta bërë këtë sesa me një filtër të nivelit!

Një filtër me nivel (qarku i përshkruar më sipër) është një lloj filtri elektrik që mund të përdoret për të hequr një frekuencë të caktuar nga një sinjal. Për të hequr sinjalin 60 Hz, ne llogaritëm ekuacionet e mëposhtme:

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

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

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Duke përdorur një faktor cilësor (Q) prej 8 për të hartuar një filtër të saktë, një kapacitet (C) prej 0,033 uFarads për montim më të lehtë dhe një frekuencë qendrore (w) 2 * pi * 60 Hz. Kjo llogariti me sukses vlerat për rezistorët R1 = 5.024 kOhms, R2 = 1.2861 MOhms, dhe R3 = 5.004 kOhms, dhe krijoi me sukses një filtër për të hequr një frekuencë 60 Hz nga sinjali bioelektrik hyrës. Nëse dëshironi të kontrolloni filtrin, mund të simuloni qarkun duke përdorur një program si PSpice ose CircuitLab në internet, ose përdorni një osciloskop me një tension të caktuar sinjali hyrës dhe kontrolloni për sinjalin e hequr pas ndërtimit të një përforcuesi fizik. Lidhni gjeneratorin e funksionit dhe oshiloskopin me amplifikatorin për të drejtuar qarkun.

Kryerja e një spastrimi AC me këtë qark mbi një gamë frekuencash nga 1 Hz në 1 kHz në një sinjal kulmi në kulm 1 V duhet të japë një tipar të tipit "notch" në 60 Hz në komplotin e daljes, i cili hiqet nga hyrja sinjal.

Hapi 5: Dizajnimi i filtrit me kalim të ulët

Faza përfundimtare e qarkut është filtri me kalim të ulët, veçanërisht një filtër i rendit të dytë Butterworth me kalim të ulët. Kjo përdoret për të izoluar sinjalin tonë të EKG -së. Format e valëve të EKG -së janë zakonisht brenda kufijve të frekuencës prej 0 deri ~ 100 Hz. Pra, ne llogarisim vlerat tona të rezistencës dhe kondensatorit bazuar në frekuencën e ndërprerjes prej 100 Hz dhe një faktor cilësor prej 8, i cili do të na jepte një filtër relativisht të saktë.

R1 = 2/(w [aC2+sqrt (a2+4b (K-1))

C2^2-4b*C1*C2) R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

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

Vlerat që llogaritëm përfunduan si R1 = 81.723kOhms, R2 = 120.92kOHms, C1 = 0.1 microFarads dhe C2 = 0.045 microFarads. Fuqizoni op -amps me një tension DC + dhe - 15V. Nëse dëshironi të kontrolloni filtrin, mund të simuloni qarkun duke përdorur një program si PSpice ose CircuitLab në internet, ose përdorni një osciloskop me një tension të caktuar sinjali hyrës dhe kontrolloni për sinjalin e hequr pas ndërtimit të një përforcuesi fizik. Lidhni gjeneratorin e funksionit dhe oshiloskopin me amplifikatorin për të drejtuar qarkun. Në frekuencën e ndërprerjes, duhet të shihni një madhësi prej -3 dB. Kjo tregon që qarku juaj po funksionon si duhet.

Hapi 6: Konfigurimi i LabVIEW

Tani që qarku është krijuar, ne duam të jemi në gjendje të interpretojmë sinjalin tonë. Për ta bërë këtë, ne mund të përdorim LabVIEW. Një asistent DAQ mund të përdoret për të marrë sinjalin nga qarku. Pas hapjes së LabVIEW, vendosni qarkun siç tregohet në diagramin e mësipërm. Asistenti DAQ do të marrë këtë lexim hyrës nga qarku dhe sinjali do të shkojë në grafikun e formës së valës. Kjo do t'ju lejojë të shihni formën e valës së EKG -së!

Tjetra ne duam të llogarisim BPM. Instalimi i mësipërm do ta bëjë këtë për ju. Programi funksionon duke marrë së pari vlerat maksimale të sinjalit të EKG -së në hyrje. Vlera e pragut na lejon të zbulojmë të gjitha vlerat e reja që vijnë në të cilat arrijnë një përqindje të vlerës sonë maksimale (në këtë rast, 90%). Vendndodhjet e këtyre vlerave dërgohen më pas në grupin e indeksimit. Meqenëse indeksimi fillon në 0, ne duam të marrim pikën 0 dhe 1 dhe të llogarisim ndryshimin në kohë midis tyre. Kjo na jep kohën midis rrahjeve. Ne pastaj ekstrapolojmë ato të dhëna për të gjetur BPM. Në mënyrë të veçantë, kjo bëhet duke shumëzuar daljen nga elementi dt dhe daljen e zbritjes midis dy vlerave në vargjet e indeksimit, dhe pastaj duke e ndarë me 60 (meqë po konvertohemi në minuta).

Hapi 7: Lidhini të gjitha dhe Provojeni

Lidhni qarkun me hyrjen e bordit DAQ. Tani sinjali që futni do të kalojë përmes qarkut në tabelën DAQ dhe programi LabVIEW do të nxjerrë formën e valës dhe BPM -në e llogaritur.

Urime!