Digitalni EKG in merilnik srčnega utripa: 8 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

OBVESTILO: To ni medicinski pripomoček. To je samo v izobraževalne namene z uporabo simuliranih signalov. Če uporabljate to vezje za resnične meritve EKG-ja, se prepričajte, da vezje in povezave med tokokrogom in instrumentom uporabljajo energijo baterije in druge ustrezne izolacijske tehnike

Elektrokardiogram (EKG) beleži električne signale med srčnim ciklom. Vsakič, ko srce utripa, pride do cikla depolarizacije in hiperpolarizacije miokardnih celic. Depolarizacijo in hiperpolarizacijo lahko posnamemo z elektrodami, zdravniki pa te informacije preberejo, če želijo izvedeti več o delovanju srca. EKG lahko določi miokardni infarkt, atrijsko ali ventrikularno fibrilacijo, tahikardijo in bradikardijo [1]. Potem ko EKG ugotovi, v čem je težava, lahko zdravniki uspešno diagnosticirajo in zdravijo pacienta. Sledite spodnjim korakom, če želite izvedeti, kako narediti lastno snemalno napravo za elektrokardiogram!

1. korak: Materiali

Komponente vezja:

• Pet operacijskih ojačevalnikov UA741
• Upori
• Kondenzatorji
• Mostične žice
• DAQ plošča
• Programska oprema LabVIEW

Preskusna oprema:

• Generator funkcij
• DC napajanje
• Osciloskop
• BNC kabli in T-razdelilnik
• Mostični kabli
• Posnetki iz aligatorja
• Čepi iz banan

Korak: Instrumentacijski ojačevalnik

Prva stopnja vezja je instrumentacijski ojačevalnik. To poveča biološki signal, tako da je mogoče razlikovati različne komponente EKG -ja.

Shema vezja za instrumentacijski ojačevalnik je prikazana zgoraj. Dobiček prve stopnje tega vezja je definiran kot K1 = 1 + 2*R2 / R1. Dobiček druge stopnje vezja je definiran kot K2 = R4 / R3. Skupni dobiček instrumentacijskega ojačevalnika je K1 * K2. Želeno povečanje za ta projekt je bilo približno 1000, zato je bil K1 izbran na 31, K2 pa na 33. Vrednosti uporov za te dobičke so prikazane zgoraj v diagramu vezja. Uporabite lahko zgoraj prikazane vrednosti upora ali pa jih spremenite tako, da ustrezajo želenemu dobičku. **

Ko izberete vrednosti komponent, lahko vezje sestavite na podlagi. Za poenostavitev povezav vezja na plošči je bila negativna vodoravna tirnica na vrhu nastavljena na tla, medtem ko sta bili dve vodoravni tirnici na dnu nastavljeni na +/- 15V.

Prvi ojačevalnik je bil nameščen na levi strani plošče, da bi pustil prostor za vse preostale komponente. Priloge so bile dodane v kronološkem vrstnem redu zatičev. Tako je lažje slediti, kateri deli so bili dodani ali ne. Ko so vsi zatiči za operacijski ojačevalnik 1 končani, lahko namestite naslednjega ojačevalnika. Še enkrat se prepričajte, da je relativno blizu, da pustite prostor. Isti kronološki postopek pin je bil zaključen za vse op ojačevalnike, dokler instrumentni ojačevalnik ni bil dokončan.

Poleg sheme vezja so bili nato dodani obvodni kondenzatorji, da bi se znebili AC povezave v žicah. Ti kondenzatorji so bili postavljeni vzporedno z napajanjem enosmerne napetosti in ozemljeni na zgornji vodoravni negativni tirnici. Ti kondenzatorji morajo biti v območju od 0,1 do 1 mikroFarada. Vsak operacijski ojačevalnik ima dva obvodna kondenzatorja, enega za pin 4 in enega za pin 7. Dva kondenzatorja na vsakem operacijskem ojačevalniku morata imeti enako vrednost, vendar se lahko razlikujeta od op ojačevalnika do op ojačevalnika.

Za testiranje ojačitve sta bila vhod in izhod ojačevalnika priključena na funkcijski generator in osciloskop. Vhodni signal je bil povezan tudi z osciloskopom. Za določitev ojačanja smo uporabili preprost sinusni val. Izhod generatorja funkcij vnesite v dva vhodna priključka instrumentacijskega ojačevalnika. Nastavite osciloskop za merjenje razmerja med izhodnim in vhodnim signalom. Dobiček vezja v decibelih je Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). Za dobiček 1000 je dobiček v decibelih 60 dB. Z osciloskopom lahko ugotovite, ali dobiček konstruiranega vezja ustreza vašim specifikacijam, ali morate spremeniti nekatere vrednosti upora, da izboljšate vezje.

Ko je instrumentni ojačevalnik pravilno sestavljen in deluje, lahko preidete na zarezni filter.

** V zgornjem diagramu vezja R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Korak: Zarezni filter

Namen zareznega filtra je odstraniti hrup iz stenskega napajanja 60 Hz. Zarezni filter oslabi signal pri mejni frekvenci in prehaja frekvence nad in pod njo. Za to vezje je želena mejna frekvenca 60 Hz.

Vodilne enačbe za zgoraj prikazano vezje so R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) in R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), kjer Q je faktor kakovosti in w je 2 * pi * (mejna frekvenca). Faktor kakovosti 8 daje vrednosti upora in kondenzatorja v razumnem območju. Predpostavimo, da so vse vrednosti kondenzatorja enake. Tako lahko izberete vrednost kondenzatorja, ki je na voljo v vaših kompletih. Vrednosti upora, prikazane v zgornjem vezju, so za mejno frekvenco 60 Hz, faktor kakovosti 8 in vrednost kondenzatorja 0,22 uF.

Ker se kondenzatorji dodajajo vzporedno, sta bila dva kondenzatorja izbrane vrednosti C postavljena vzporedno, da bi dosegli vrednost 2C. Op ojačevalniku so bili dodani tudi obvodni kondenzatorji.

Če želite preizkusiti zarezni filter, priključite izhod iz generatorja funkcij na vhod zarezanega filtra. Na osciloskopu opazujte vhod in izhod vezja. Za učinkovit zarezni filter bi morali imeti pri mejni frekvenci dobiček manjši ali enak -20dB. Ker komponente niso idealne, je to težko doseči. Izračunane vrednosti upora in kondenzatorja morda ne bodo dale želenega dobička. To bo zahtevalo, da spremenite vrednosti upora in kondenzatorja.

Če želite to narediti, se osredotočite na eno komponento hkrati. Povečajte in zmanjšajte vrednost posamezne komponente, ne da bi spremenili katero koli drugo. Opazujte učinke tega na dobiček vezja. To lahko zahteva veliko potrpljenja za dosego želenega dobička. Ne pozabite, da lahko upore dodate zaporedno, da povečate ali zmanjšate vrednosti uporov. Sprememba, ki je najbolj izboljšala naš dobiček, je bila povečanje enega od kondenzatorjev na 0,33 uF.

4. korak: Nizkoprepustni filter

Nizkoprepustni filter odstrani hrup višje frekvence, ki lahko moti signal EKG. Nizkoprepustna meja 40 Hz zadostuje za zajem informacij o valovni obliki EKG. Vendar nekatere komponente EKG presegajo 40 Hz. Lahko bi uporabili tudi mejo 100 Hz ali 150 Hz [2].

Nizkoprepustni filter je Butterworthov filter drugega reda. Ker dobiček našega vezja določa instrumentni ojačevalnik, želimo za nizkoprepustni filter dobiček 1 v pasu. Za dobiček 1 je RA v kratkem stiku in RB je v zgornjem vezju odprto vezje [3]. V vezju je C1 = 10 / (fc) uF, kjer je fc mejna frekvenca. C1 mora biti manjši ali enak C2 * a^2 / (4 * b). Za Butterworthov filter drugega reda, a = sqrt (2) in b = 1. Če vključimo vrednosti za a in b, se enačba za C2 poenostavi na manj kot ali enako na C1 / 2. Potem je R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a^2 * C2^2 - 4 * b * C1 * C2))] in R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), kjer je w = 2 * pi * fc. Izračuni za to vezje so bili dokončani, da se zagotovi mejna vrednost 40Hz. Vrednosti uporov in kondenzatorjev, ki ustrezajo tem specifikacijam, so prikazane na zgornji shemi vezja.

Ojačevalnik je bil nameščen na skrajni desni strani plošče, saj po njem ne bodo dodane nobene druge komponente. Opusnemu ojačevalniku so bili dodani upori in kondenzatorji za dokončanje vezja. Op ojačevalniku so dodali tudi obvodne kondenzatorje. Vhodni priključek je ostal prazen, saj bo vhod prihajal iz izhodnega signala zarezanega filtra. Za namene testiranja pa je bila na vhodni zatič nameščena žica, da bi lahko ločili nizkoprepustni filter in ga posamično preizkusili.

Sinusni val iz generatorja funkcij je bil uporabljen kot vhodni signal in ga je opazoval na različnih frekvencah. Opazujte tako vhodne kot izhodne signale na osciloskopu in določite ojačanje vezja pri različnih frekvencah. Za nizkoprepustni filter mora biti dobiček pri mejni frekvenci -3db. Za to vezje naj bi prišlo do prekinitve pri 40 Hz. Frekvence pod 40 Hz bi morale imeti v svoji valovni obliki le malo ali nič oslabitve, toda ko se frekvenca poveča nad 40 Hz, se mora dobiček še naprej zmanjševati.

5. korak: Sestavljanje stopenj vezja

Ko sestavite vsako stopnjo vezja in jih preizkusite neodvisno, jih lahko vse povežete. Izhod instrumentacijskega ojačevalnika mora biti povezan z vhodom zareznega filtra. Izhod zarezanega filtra mora biti povezan z vhodom nizkoprepustnega filtra.

Če želite preizkusiti vezje, priključite vhod generatorja funkcij na vhod stopnje instrumentacijskega ojačevalnika. Na osciloskopu opazujte vhod in izhod vezja. Preizkusite lahko z vnaprej programiranim EKG valom iz generatorja funkcij ali s sinusnim valom in opazujete učinke svojega vezja. Na zgornji sliki osciloskopa je rumena krivulja vhodna valovna oblika, zelena krivulja pa izhodna.

Ko povežete vse faze vezja in dokažete, da deluje pravilno, lahko priključite izhod svojega vezja na ploščo DAQ in začnete s programiranjem v LabVIEW.

6. korak: Program LabVIEW

Koda LabVIEW je zaznavanje utripov na meter iz simuliranega vala EKG na različnih frekvencah. Za programiranje v LabVIEW -u morate najprej identificirati vse komponente. Analogno -digitalni pretvornik, znan tudi kot plošča za pridobivanje podatkov (DAQ), je treba nastaviti in nastaviti, da deluje neprekinjeno. Izhodni signal iz vezja je priključen na vhod plošče DAQ. Graf valovne oblike v programu LabVIEW je neposredno povezan z izhodom asistenta DAQ. Izhod iz podatkov DAQ gre tudi v identifikator max/min. Signal nato gre skozi aritmetični operater množenja. Številčni indikator 0,8 se uporablja za izračun vrednosti praga. Ko signal preseže 0,8*največ, se zazna vrh. Kadar koli je bila najdena ta vrednost, je bila shranjena v matriki indeksov. Dve podatkovni točki sta shranjeni v indeksni matriki in se vneseta v aritmetični operator odštevanja. Med tema dvema vrednostma je bila ugotovljena časovna sprememba. Nato se 60 za izračun srčnega utripa deli s časovno razliko. Numerični indikator, ki je prikazan poleg izhodnega grafa, oddaja srčni utrip v utripih na minuto (bpm) vhodnega signala. Ko je program nastavljen, ga je treba vstaviti v neprekinjeno zanko while. Različni vhodi za frekvenco dajejo različne vrednosti bpm.

7. korak: Zberite podatke EKG

Zdaj lahko v svoje vezje vnesete simulirani signal EKG in podatke zabeležite v program LabVIEW! Spremenite frekvenco in amplitudo simuliranega EKG -ja, da vidite, kako to vpliva na vaše posnete podatke. Ko spreminjate frekvenco, bi morali videti spremembo izračunanega srčnega utripa. Uspešno ste oblikovali EKG in merilnik srčnega utripa!

8. korak: Nadaljnje izboljšave

Konstruirana naprava bo dobro delovala pri pridobivanju simuliranih EKG signalov. Če pa želite posneti biološke signale (upoštevajte ustrezne varnostne ukrepe), je treba v vezjih dodatno spremeniti, da se izboljša odčitavanje signala. Dodati je treba visokoprepustni filter, da odstranite artefakte gibanja DC in nizkofrekvenčnega gibanja. Dobiček instrumentacijskega ojačevalnika je treba tudi desetkrat zmanjšati, da ostane v uporabnem območju za LabVIEW in op ojačevalnike.

Viri

[1] S. Meek in F. Morris, „Uvod. II-osnovna terminologija. «, BMJ, letn. 324, št. 7335, str. 470–3, februar 2002.

[2] Chia-Hung Lin, Funkcije frekvenčnega področja za EKG premagajo diskriminacijo z uporabo klasifikatorja na osnovi sive relacijske analize, V računalnikih in matematiki z aplikacijami, letnik 55, številka 4, 2008, strani 680-690, ISSN 0898-1221, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii…

[3] “Filter drugega reda | Zasnova nizkoprepustnih filtrov drugega reda. " Osnovni tečaji elektronike, 9. september 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…