Digitalni EKG i monitor otkucaja srca: 8 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

OBAVIJEST: Ovo nije medicinski uređaj. Ovo je samo u obrazovne svrhe korištenjem simuliranih signala. Ako ovaj krug koristite za stvarna mjerenja EKG-a, provjerite koriste li krug i veze kruga s instrumentom napajanje iz baterije i druge odgovarajuće tehnike izolacije

Elektrokardiogram (EKG) bilježi električne signale tijekom srčanog ciklusa. Svaki put kad srce kuca, postoji ciklus depolarizacije i hiperpolarizacije stanica miokarda. Depolarizaciju i hiperpolarizaciju mogu snimiti elektrode, a liječnici čitaju te podatke kako bi saznali više o tome kako srce funkcionira. EKG može odrediti infarkt miokarda, atrijsku ili ventrikularnu fibrilaciju, tahikardiju i bradikardiju [1]. Nakon što s EKG -a utvrde u čemu je problem, liječnici mogu uspješno dijagnosticirati i liječiti pacijenta. Slijedite korake u nastavku kako biste saznali kako napraviti vlastiti uređaj za snimanje elektrokardiograma!

Korak 1: Materijali

Komponente sklopa:

• Pet operacijskih pojačala UA741
• Otpornici
• Kondenzatori
• Kratkospojne žice
• DAQ ploča
• LabVIEW softver

Oprema za ispitivanje:

• Generator funkcija
• Napajanje istosmjernom strujom
• Osciloskop
• BNC kabeli i T-razdjelnik
• Kratki kabeli
• Isječci od aligatora
• Čepovi za banane

Korak 2: Instrumentalno pojačalo

Prva faza kola je instrumentacijsko pojačalo. Time se pojačava biološki signal tako da se mogu razlikovati različite komponente EKG -a.

Dijagram kola za instrumentalno pojačalo prikazan je gore. Pojačanje prve faze ovog kruga definirano je kao K1 = 1 + 2*R2 / R1. Pojačanje druge faze kruga definirano je kao K2 = R4 / R3. Ukupni dobitak instrumentalnog pojačala je K1 * K2. Željeni dobitak za ovaj projekt bio je približno 1000, pa je K1 izabran 31, a K2 33. Vrijednosti otpornika za ove dobitke prikazane su gore u dijagramu kruga. Možete upotrijebiti gore navedene vrijednosti otpornika ili ih izmijeniti kako biste zadovoljili željeni dobitak. **

Nakon što odaberete vrijednosti komponenti, krug se može izgraditi na ploči. Radi pojednostavljenja spojeva kruga na ploči, negativna vodoravna šina na vrhu postavljena je kao uzemljenje, dok su dvije vodoravne tračnice na dnu postavljene na +/- 15V.

Prvo pojačalo postavljeno je s lijeve strane ploče kako bi se ostavilo prostora za sve preostale komponente. Privitci su dodani kronološkim redoslijedom pinova. To olakšava praćenje koji su dijelovi dodani ili ne. Nakon što su svi pinovi završeni za op pojačalo 1, može se postaviti sljedeće op pojačalo. Ponovno provjerite je li relativno blizu kako biste ostavili mjesta. Isti kronološki postupak s pin -om završen je za sva op -pojačala sve dok instrumentalno pojačalo nije dovršeno.

Zatim su pored dijagrama sklopa dodani zaobilazni kondenzatori kako bi se uklonili AC spojevi u žicama. Ti su kondenzatori postavljeni paralelno s napajanjem istosmjernog napona i uzemljeni na gornjoj vodoravnoj negativnoj tračnici. Ti bi kondenzatori trebali biti u rasponu od 0,1 do 1 mikroFarada. Svaki op pojačalo ima dva zaobilazna kondenzatora, jedan za pin 4 i jedan za pin 7. Dva kondenzatora na svakom op pojačalu moraju imati istu vrijednost, ali mogu varirati od op do pojačala.

Kako bi se testiralo pojačanje, funkcijski generator i osciloskop su spojeni na ulaz i izlaz pojačala. Ulazni signal je također spojen na osciloskop. Za određivanje pojačanja korišten je jednostavan sinusni val. Ulaz izlaza generatora funkcija u dva ulazna priključka instrumentalnog pojačala. Postavite osciloskop da mjeri omjer izlaznog signala i ulaznog signala. Dobit kruga u decibelima je Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). Za pojačanje od 1000, dobitak u decibelima je 60dB. Pomoću osciloskopa možete utvrditi zadovoljava li dobitak vašeg izgrađenog kruga vaše specifikacije ili trebate promijeniti neke vrijednosti otpornika kako biste poboljšali svoj krug.

Nakon što je instrumentacijsko pojačalo ispravno sastavljeno i ispravno, možete prijeći na urezni filter.

** U gornjem dijagramu kola, R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Korak 3: Notch filter

Svrha usjeknog filtra je uklanjanje buke iz zidnog napajanja od 60 Hz. Urezani filter prigušuje signal na graničnoj frekvenciji i propušta frekvencije iznad i ispod nje. Za ovaj krug željena granična frekvencija je 60 Hz.

Vodeće jednadžbe za gornji dijagram kruga prikazane su R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) i R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), gdje Q je faktor kvalitete, a w je 2 * pi * (granična frekvencija). Faktor kvalitete 8 daje vrijednosti otpornika i kondenzatora u razumnom rasponu. Može se pretpostaviti da su vrijednosti kondenzatora sve iste. Dakle, možete odabrati vrijednost kondenzatora koja je dostupna u vašim kompletima. Vrijednosti otpornika prikazane u gornjem krugu odnose se na graničnu frekvenciju od 60 Hz, faktor kvalitete od 8 i vrijednost kondenzatora od 0,22 uF.

Budući da se kondenzatori dodaju paralelno, dva kondenzatora odabrane vrijednosti C postavljena su paralelno kako bi se postigla vrijednost od 2C. Također, op pojačalu su dodani i bypass kondenzatori.

Za ispitivanje urezanog filtra, spojite izlaz iz generatora funkcija na ulaz urezanog filtra. Promatrajte ulaz i izlaz kruga na osciloskopu. Da biste imali učinkovit urezani filtar, trebali biste imati dobitak manji ili jednak -20dB na graničnoj frekvenciji. Budući da komponente nisu idealne, to može biti teško postići. Izračunate vrijednosti otpornika i kondenzatora možda vam neće dati željeni dobitak. To će zahtijevati da promijenite vrijednosti otpornika i kondenzatora.

Da biste to učinili, usredotočite se na jednu po jednu komponentu. Povećajte i smanjite vrijednost jedne komponente bez promjene bilo koje druge. Promatrajte učinke koje ovo ima na pojačanje strujnog kruga. To može zahtijevati puno strpljenja kako bi se postigao željeni dobitak. Zapamtite, možete dodati niz otpornika za povećanje ili smanjenje vrijednosti otpornika. Promjena koja je najviše poboljšala naš dobitak bila je povećanje jednog od kondenzatora na 0,33 uF.

Korak 4: Niskopropusni filtar

Niskopropusni filter uklanja šum veće frekvencije koji može ometati EKG signal. Niskopropusni prekid od 40 Hz dovoljan je za snimanje informacija o obliku EKG -a. Međutim, neke komponente EKG -a prelaze 40 Hz. Također se može koristiti granična vrijednost od 100 Hz ili 150 Hz [2].

Konstruirani niskopropusni filtar je Butterworthov filter drugog reda. Budući da je dobitak našeg kruga određen instrumentacijskim pojačalom, želimo dobitak od 1 unutar pojasa za niskopropusni filter. Za dobitak 1, RA je kratko spojen, a RB je otvoren u gornjoj shemi sklopke [3]. U krugu je C1 = 10 / (fc) uF, gdje je fc granična frekvencija. C1 bi trebao biti manji ili jednak C2 * a^2 / (4 * b). Za Butterworthov filter drugog reda, a = sqrt (2) i b = 1. Uključivanjem vrijednosti za a i b, jednadžba za C2 pojednostavljuje se na manje ili jednako na C1 / 2. Tada je R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a^2 * C2^2 - 4 * b * C1 * C2))] i R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), gdje je w = 2 * pi * fc. Izračuni za ovo kolo dovršeni su kako bi se osiguralo granično ograničenje od 40Hz. Vrijednosti otpornika i kondenzatora koje zadovoljavaju ove specifikacije prikazane su na gornjoj shemi kola.

Op pojačalo postavljeno je s krajnje desne strane ploče jer nakon njega neće biti dodane druge komponente. Oparnom pojačalu dodani su otpornici i kondenzatori kako bi se kompletirao krug. Opasu su dodani i zaobilazni kondenzatori. Ulazni terminal ostavljen je prazan jer će ulaz dolaziti iz izlaznog signala urezanog filtera. Međutim, radi testiranja, žica je postavljena na ulazni pin kako bi se mogao izolirati niskopropusni filter i testirati pojedinačno.

Sinusni val iz generatora funkcija korišten je kao ulazni signal i promatran na različitim frekvencijama. Promatrajte ulazne i izlazne signale na osciloskopu i odredite pojačanje kruga na različitim frekvencijama. Za niskopropusni filtar, dobitak na graničnoj frekvenciji trebao bi biti -3db. Za ovaj krug, prekid bi trebao nastupiti na 40 Hz. Frekvencije ispod 40Hz trebale bi imati malo ili nimalo slabljenja u svom valnom obliku, ali kako se frekvencija povećava iznad 40 Hz, pojačanje bi se trebalo nastaviti smanjivati.

Korak 5: Sastavljanje faza kola

Nakon što ste izgradili svaku fazu kruga i neovisno ih testirali, možete ih sve spojiti. Izlaz instrumentalnog pojačala treba spojiti na ulaz urezanog filtra. Izlaz urezanog filtra treba spojiti na ulaz niskopropusnog filtra.

Za ispitivanje kruga spojite ulaz generatora funkcije na ulaz stupnja instrumentalnog pojačala. Promatrajte ulaz i izlaz kruga na osciloskopu. Možete testirati s unaprijed programiranim EKG-valom iz generatora funkcija ili s sinusnim valom i promatrati učinke vašeg kruga. Na gornjoj slici osciloskopa, žuta krivulja je ulazni valni oblik, a zelena krivulja je izlaz.

Nakon što ste spojili sve faze kruga i pokazali da radi ispravno, možete spojiti izlaz svog kruga na DAQ ploču i započeti programiranje u LabVIEW -u.

Korak 6: Program LabVIEW

LabVIEW kôd služi za otkrivanje otkucaja po metru iz simuliranog EKG vala na različitim frekvencijama. Za programiranje u LabVIEW -u prvo morate identificirati sve komponente. Analogno -digitalni pretvarač, poznat i kao ploča za prikupljanje podataka (DAQ), mora se postaviti i postaviti da radi neprekidno. Izlazni signal iz kruga spojen je na ulaz DAQ ploče. Graf valnog oblika u programu LabVIEW spojen je izravno na izlaz pomoćnika DAQ. Izlaz iz DAQ podataka također ide do max/min identifikatora. Signal zatim prolazi kroz aritmetički operator množenja. Numerički pokazatelj 0,8 koristi se za izračun vrijednosti praga. Kad signal pređe 0,8*maksimum, detektira se vrhunac. Kad god je ova vrijednost pronađena, bila je pohranjena u indeksni niz. Dvije podatkovne točke pohranjene su u indeksnom nizu i unose se u aritmetički operator oduzimanja. Između ove dvije vrijednosti pronađena je promjena u vremenu. Zatim, za izračun otkucaja srca, 60 se dijeli s vremenskom razlikom. Numerički indikator, koji je prikazan pored izlaznog grafikona, daje otkucaje srca u otkucajima u minuti (bpm) ulaznog signala. Nakon što se program postavi, sve bi trebalo staviti unutar kontinuirane while petlje. Različiti frekvencijski ulazi daju različite vrijednosti bpm.

Korak 7: Prikupite podatke EKG -a

Sada možete unijeti simulirani EKG signal u svoj krug i snimiti podatke u svoj program LabVIEW! Promijenite frekvenciju i amplitudu simuliranog EKG -a da vidite kako to utječe na vaše snimljene podatke. Kako mijenjate frekvenciju, trebali biste vidjeti promjenu izračunatog broja otkucaja srca. Uspješno ste dizajnirali EKG i monitor otkucaja srca!

Korak 8: Daljnja poboljšanja

Konstruirani uređaj dobro će funkcionirati za dobivanje simuliranih EKG signala. Međutim, ako želite snimati biološke signale (svakako se pridržavajte odgovarajućih sigurnosnih mjera), potrebno je izvršiti daljnje izmjene u krugovima radi poboljšanja očitanja signala. Treba dodati visokopropusni filtar za uklanjanje artefakata pomaka istosmjernog toka i niskih frekvencija. Dobitak instrumentalnog pojačala također bi se trebao smanjiti za deset puta kako bi ostao unutar korisnog raspona za LabVIEW i op pojačala.

Izvori

[1] S. Meek i F. Morris, „Uvod. II-osnovna terminologija.”, BMJ, sv. 324, br. 7335, str. 470–3, veljača 2002.

[2] Chia-Hung Lin, Značajke frekvencijske domene za EKG pobijeđuju diskriminaciju pomoću sivog klasifikatora temeljenog na relacijskoj analizi, U računalima i matematici s aplikacijama, svezak 55, izdanje 4, 2008, stranice 680-690, ISSN 0898-1221, [3] “Filter drugog reda | Dizajn niskopropusnih filtera drugog reda.” Osnovni elektronički vodiči, 9. rujna 2016., www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…