Snemanje bioelektričnih signalov: EKG in merilnik srčnega utripa: 7 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:08

OBVESTILO: To ni medicinski pripomoček. To je samo v izobraževalne namene z uporabo simuliranih signalov. Če uporabljate to vezje za prave meritve EKG-ja, se prepričajte, da vezje in povezave vezje-instrument uporabljajo ustrezne izolacijske tehnike.

Elektrokardiogram (EKG) je preskus, pri katerem se na subjekt na določen način položijo površinske elektrode, da zaznajo in izmerijo električno aktivnost srca osebe [1]. EKG ima veliko uporab in lahko pomaga pri diagnosticiranju bolezni srca, stresnih testih in opazovanju med operacijo. EKG lahko zazna tudi spremembe srčnega utripa, aritmije, srčni napad ter številne druge izkušnje in bolezni [1], opisane tudi v zgornji izjavi o težavi. Srčni signal, izmerjen z EKG, proizvaja tri različne valovne oblike, ki prikazujejo živo krmiljenje delujočega srca. Te so prikazane na zgornji sliki.

Cilj tega projekta je ustvariti napravo, ki lahko pridobi signal EKG iz izhodnega generatorja ali človeka in reproducira signal, hkrati pa odpravlja hrup. Izhod sistema bo izračunal tudi BPM.

Začnimo!

Korak: Zberite vse materiale

Za izdelavo tega EKG -ja bomo ustvarili sistem, ki je sestavljen iz dveh glavnih delov, vezja in sistema LabVIEW. Namen vezja je zagotoviti, da dobimo signal, ki ga želimo. Obstaja veliko zunanjega hrupa, ki lahko zaduši naš EKG signal, zato moramo ojačati signal in filtrirati šum. Ko je signal filtriran in ojačan skozi vezje, lahko izpopolnjeni signal pošljemo v program LabVIEW, ki bo prikazal valovno obliko in izračunal BPM. Za ta projekt so potrebni naslednji materiali:

-Upor, kondenzator in operacijski ojačevalnik (uporabljeni so bili op -ojačevalniki -UA741) električne komponente

-Opajanje brez spajkanja za izdelavo in testiranje

-DC napajalnik za napajanje op-ojačevalnikov

-Funkcijski generator za oskrbo bioelektričnega signala

-Osciloskop za ogled vhodnega signala

-DAQ plošča za pretvorbo signala iz analognega v digitalni

-LabVIEW programska oprema za opazovanje izhodnega signala

-BNC in kabli s spremenljivim koncem

2. korak: Oblikovanje vezja

Kot smo pravkar razpravljali, je potrebno filtrirati in ojačati naš signal. Če želite to narediti, lahko nastavimo 3 različne stopnje našega vezja. Najprej moramo ojačati signal. To lahko storite z uporabo instrumentacijskega ojačevalnika. Na ta način je naš vhodni signal veliko bolje viden v končnem izdelku. S tem instrumentacijskim ojačevalnikom moramo imeti serijsko zarezni filter. Zarezni filter bo uporabljen za odpravo hrupa iz našega vira energije. Po tem lahko imamo nizkoprepustni filter. Ker so odčitki EKG običajno nizkofrekvenčni, želimo odrezati vse frekvence, ki so na frekvenci, ki je zunaj naših mej za branje EKG, zato uporabljamo nizkoprepustni filter. Te stopnje so podrobneje razložene v naslednjih korakih.

Če imate težave s svojim vezjem, je najbolje, da svoje vezje simulirate v spletnem programu. Na ta način lahko preverite, ali so vaši izračuni vrednosti uporov in kondenzatorjev pravilni.

3. korak: Oblikovanje instrumentacijskega ojačevalnika

Za učinkovitejše opazovanje bioelektričnega signala ga je treba ojačati. Pri tem projektu je skupni dobiček 1000 V/V. Za dosego določenega dobička od instrumentacijskega ojačevalnika so bile vrednosti upora za vezje izračunane z naslednjimi enačbami:

(1. stopnja) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(2. stopnja) K2 = -R4 / R3

Kjer se vsaka stopnja pomnoži za izračun skupnega dobička. Vrednosti upora, izbrane za ustvarjanje dobička 1000 V/V, so R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms in R4 = 330 kOhms. Z napajalnikom enosmernega toka podajte napetostno območje +/- 15 V (ohranite nizko tokovno mejo) za napajanje op-amperov fizičnega vezja. Če želite preveriti resnične vrednosti uporov ali želite doseči ta dobiček pred gradnjo, lahko simulirate vezje s programom, kot sta PSpice ali CircuitLab na spletu, ali uporabite osciloskop z dano napetostjo vhodnega signala in preverite resnično dobiček po izdelavi fizičnega ojačevalnika. Priključite funkcijski generator in osciloskop na ojačevalnik, da zaženete vezje.

Zgornja fotografija prikazuje, kako izgleda vezje v simulacijski programski opremi PSpice. Če želite preveriti, ali vaše vezje deluje pravilno, napajajte sinusni val od 1 kHz 10 mV od vrha do vrha od generatorja funkcij, skozi vezje in do osciloskopa. Na osciloskopu je treba opazovati 10 V sinusni val od vrha do vrha.

4. korak: Oblikovanje filtra Notch

Posebna težava pri obravnavanju tega vezja je dejstvo, da signal za hrup 60 Hz proizvajajo napajalni vodi v Združenih državah. Če želite odstraniti ta šum, je treba vhodni signal v vezje filtrirati pri 60 Hz, in kaj je bolje narediti kot z zareznim filtrom!

Zarezni filter (zgoraj prikazano vezje) je določena vrsta električnega filtra, ki se lahko uporablja za odstranjevanje določene frekvence iz signala. Za odstranitev signala 60 Hz smo izračunali naslednje enačbe:

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

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

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Z uporabo faktorja kakovosti (Q) 8 za oblikovanje dostojno natančnega filtra, kapacitivnosti (C) 0,033 uFarads za lažjo montažo in osrednje frekvence (w) 2 * pi * 60 Hz. S tem so bile uspešno izračunane vrednosti uporov R1 = 5,024 kOhms, R2 = 1,2861 MOhms in R3 = 5,004 kOhms ter uspešno ustvarjen filter za odstranitev frekvence 60 Hz iz vhodnega bioelektričnega signala. Če želite preveriti filter, lahko simulirate vezje s programom, kot sta PSpice ali CircuitLab na spletu, ali uporabite osciloskop z določeno napetostjo vhodnega signala in po izdelavi fizičnega ojačevalnika preverite odstranjeni signal. Priključite funkcijski generator in osciloskop na ojačevalnik, da zaženete vezje.

Izvajanje izmeničnega tokokroga s tem vezjem v razponu frekvenc od 1 Hz do 1 kHz pri signalu od vrha do vrha 1 V bi moralo prinesti funkcijo tipa "zareza" pri 60 Hz v izhodnem grafikonu, ki se odstrani iz vhoda signal.

5. korak: Oblikovanje nizkoprepustnega filtra

Zadnja faza vezja je nizkoprepustni filter, natančneje nizkoprepustni filter drugega reda Butterworth. To se uporablja za izolacijo našega EKG signala. EKG valovne oblike so običajno v frekvenčnih mejah od 0 do ~ 100 Hz. Tako izračunamo vrednosti upora in kondenzatorjev na podlagi mejne frekvence 100 Hz in faktorja kakovosti 8, kar bi nam dalo relativno natančen filter.

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

Vrednosti, ki smo jih izračunali, so bile R1 = 81.723kOhms, R2 = 120.92kOHms, C1 = 0,1 mikroFarads in C2 = 0,045 mikroFarads. Napajajte op -ojačevalnike z enosmerno napetostjo + in - 15V. Če želite preveriti filter, lahko simulirate vezje s programom, kot sta PSpice ali CircuitLab na spletu, ali uporabite osciloskop z dano napetostjo vhodnega signala in po izdelavi fizičnega ojačevalnika preverite odstranjeni signal. Priključite funkcijski generator in osciloskop na ojačevalnik, da zaženete vezje. Pri mejni frekvenci bi morali videti jakost -3 dB. To pomeni, da vezje deluje pravilno.

6. korak: Nastavitev programa LabVIEW

Zdaj, ko je vezje ustvarjeno, želimo biti sposobni razlagati naš signal. Za to lahko uporabimo LabVIEW. Pomočnik DAQ lahko uporabite za pridobivanje signala iz vezja. Ko odprete LabVIEW, nastavite vezje, kot je prikazano na zgornjem diagramu. Pomočnik DAQ bo vzel to vhodno odčitavanje iz vezja in signal bo šel na graf valovne oblike. Tako boste lahko videli valovno obliko EKG!

Nato želimo izračunati BPM. Zgornja nastavitev bo to naredila namesto vas. Program deluje tako, da najprej sprejme največje vrednosti vhodnega signala EKG. Mejna vrednost nam omogoča, da zaznamo vse nove vrednosti, ki prihajajo, ki dosežejo odstotek naše največje vrednosti (v tem primeru 90%). Lokacije teh vrednosti se nato pošljejo v matriko za indeksiranje. Ker se indeksiranje začne pri 0, želimo vzeti 0. in 1. točko in izračunati časovno spremembo med njima. To nam daje čas med udarci. Nato ekstrapoliramo te podatke, da poiščemo BPM. Natančneje, to naredimo tako, da pomnožimo izhod iz elementa dt in rezultat odštevanja med dvema vrednostma v indeksiranih matrikah in nato delimo s 60 (ker pretvarjamo v minute).

7. korak: Povežite vse in preizkusite

Priključite vezje na vhod plošče DAQ. Zdaj bo signal, ki ga vnesete, šel skozi vezje na ploščo DAQ, program LabVIEW pa bo predvajal valovno obliko in izračunani BPM.

Čestitke!