Snimanje bioelektričnih signala: EKG i monitor otkucaja srca: 7 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 krug-instrument ispravne tehnike izolacije.

Elektrokardiogram (EKG) je test u kojem se površinske elektrode postavljaju na subjekt na određeni način radi otkrivanja i mjerenja električne aktivnosti srca subjekta [1]. EKG ima mnogo upotreba i može pomoći u dijagnosticiranju srčanih oboljenja, testovima stresa i opažanju tijekom operacije. EKG također može otkriti promjene u otkucajima srca, aritmije, srčani udar i mnoga druga iskustva i bolesti [1] također opisane u gornjoj izjavi o problemu. Srčani signal izmjeren EKG -om proizvodi tri različita valna oblika koji prikazuju živu hranu funkcionalnog srca. Oni su prikazani na gornjoj slici.

Cilj ovog projekta je stvoriti uređaj koji može dobiti EKG signal iz izlaznog generatora ili čovjeka i reproducirati signal uz uklanjanje šuma. Izlaz sustava će također izračunati BPM.

Započnimo!

Korak 1: Prikupite sve materijale

Kako bismo stvorili ovaj EKG, izradit ćemo sustav koji se sastoji od dva glavna dijela, sklopa i sustava LabVIEW. Svrha kruga je provjeriti dobivamo li signal koji želimo. Postoji mnogo ambijentalne buke koja može ugušiti naš EKG signal, pa moramo pojačati naš signal, kao i filtrirati bilo koji šum. Nakon što je signal filtriran i pojačan kroz krug, možemo poslati poboljšani signal u program LabVIEW koji će prikazati valni oblik kao i izračunati BPM. Za ovaj projekt potrebni su sljedeći materijali:

-Otpornik, kondenzator i operativno pojačalo (korištena su op -pojačala -UA741) električne komponente

-Osnova bez lemljenja za izgradnju i testiranje

-DC napajanje za napajanje op-pojačala

-Funkcijski generator za opskrbu bioelektričnim signalom

-Osciloskop za pregled ulaznog signala

-DAQ ploča za pretvaranje signala iz analognog u digitalni

-LabVIEW softver za promatranje izlaznog signala

-BNC i krajnji olovni kabeli

Korak 2: Projektiranje kruga

Kao što smo upravo raspravljali, potrebno je filtrirati i pojačati naš signal. Da bismo to učinili, možemo postaviti 3 različite faze našeg kruga. Prvo moramo pojačati signal. To se može učiniti korištenjem instrumentalnog pojačala. Na taj se način naš ulazni signal može puno bolje vidjeti u konačnom proizvodu. Moramo tada imati serijski usjekni filtar s ovim instrumentacijskim pojačalom. Urezani filter će se koristiti za uklanjanje buke iz našeg izvora energije. Nakon toga možemo imati niskopropusni filtar. Budući da su očitanja EKG -a obično niske frekvencije, želimo odrezati sve frekvencije koje su na frekvenciji koja je izvan naših granica čitanja EKG -a, pa koristimo niskopropusni filtar. Ove su faze detaljnije objašnjene u sljedećim koracima.

Ako imate problema sa svojim krugom, najbolje je simulirati svoj krug u mrežnom programu. Na ovaj način možete provjeriti jesu li vaši izračuni vrijednosti otpornika i kondenzatora točni.

Korak 3: Projektiranje instrumentalnog pojačala

Za učinkovitije promatranje bioelektričnog signala potrebno ga je pojačati. Za ovaj projekt, ukupna dobit od 1000 V/V. Da bi se postiglo specificirano pojačanje od instrumentacijskog pojačala, vrijednosti otpora za krug izračunate su sljedećim jednadžbama:

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

(2. faza) K2 = -R4 / R3

Gdje se svaka od faza množi za izračunavanje ukupnog dobitka. Vrijednosti otpornika odabrane za stvaranje pojačanja od 1000 V/V su R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms i R4 = 330 kOhms. Pomoću istosmjernog napajanja dajte raspon napona od +/- 15 V (zadržavajući nisku granicu struje) za napajanje op-pojačala fizičkog kruga. Ako želite provjeriti prave vrijednosti otpornika ili želite postići ovaj dobitak prije izgradnje, možete simulirati krug pomoću programa poput PSpice ili CircuitLab na mreži, ili upotrijebiti osciloskop s zadanim naponom ulaznog signala i provjeriti istinitost dobitak nakon izgradnje fizičkog pojačala. Spojite generator funkcija i osciloskop na pojačalo kako biste pokrenuli krug.

Gornja fotografija prikazuje kako krug izgleda u simulacijskom softveru PSpice. Da biste provjerili radi li vaš krug ispravno, opskrbite sinusni val od 1 kHz 10 mV od vrha do vrha od generatora funkcija, kroz krug i do osciloskopa. Na osciloskopu treba promatrati sinusni val od 10 V od vrha do vrha.

Korak 4: Dizajniranje Notch filtra

Poseban problem kada se radi o ovom krugu je činjenica da signal šuma od 60 Hz proizvode vodovi za napajanje u Sjedinjenim Državama. Kako bi se uklonio ovaj šum, ulazni signal u krug mora se filtrirati na 60 Hz, a što je bolje učiniti od tog filtera s usjekom!

Urezani filter (gore prikazani krug) je određena vrsta električnog filtra koji se može koristiti za uklanjanje određene frekvencije iz signala. Za uklanjanje signala od 60 Hz izračunali smo sljedeće jednadžbe:

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

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

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Koristeći faktor kvalitete (Q) 8 za projektiranje pristojno točnog filtra, kapacitet (C) od 0,033 uFarada za lakše sastavljanje i središnju frekvenciju (w) 2 * pi * 60 Hz. Time su uspješno izračunate vrijednosti za otpornike R1 = 5,024 kOhms, R2 = 1,2861 MOhms i R3 = 5,004 kOhms, te je uspješno stvoren filter za uklanjanje frekvencije od 60 Hz iz ulaznog bioelektričnog signala. Ako želite provjeriti filtar, možete simulirati sklop pomoću programa poput PSpice ili CircuitLab na mreži, ili upotrijebiti osciloskop s zadanim naponom ulaznog signala i provjeriti uklonjeni signal nakon izgradnje fizičkog pojačala. Spojite generator funkcija i osciloskop na pojačalo kako biste pokrenuli krug.

Izvođenje izmjene naizmjenične struje s ovim krugom u rasponu frekvencija od 1 Hz do 1 kHz pri signalu od vrha do vrha od 1 V trebalo bi dati značajku tipa "usjek" pri 60 Hz u izlaznom grafikonu, koji se uklanja s ulaza signal.

Korak 5: Projektiranje niskopropusnog filtra

Završna faza kruga je niskopropusni filter, točnije niskopropusni filter drugog reda Butterworth. Ovo se koristi za izolaciju našeg EKG signala. EKG valni oblici obično su unutar frekvencijskih granica od 0 do ~ 100 Hz. Dakle, naše vrijednosti otpornika i kondenzatora izračunavamo na temelju granične frekvencije 100 Hz i faktora kvalitete 8, što bi nam dalo relativno precizan filtar.

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

Vrijednosti koje smo izračunali na kraju su bile R1 = 81.723kOhms, R2 = 120.92kOHms, C1 = 0.1 mikroFarads i C2 = 0.045 mikroFarads. Napajajte op -pojačala s istosmjernim naponom od + i - 15V. Ako želite provjeriti filtar, možete simulirati krug pomoću programa poput PSpice ili CircuitLab na mreži, ili upotrijebiti osciloskop s datim naponom ulaznog signala i provjeriti uklonjeni signal nakon izgradnje fizičkog pojačala. Spojite generator funkcija i osciloskop na pojačalo kako biste pokrenuli krug. Na graničnoj frekvenciji trebali biste vidjeti veličinu -3 dB. To znači da vaš krug radi ispravno.

Korak 6: Postavljanje LabVIEW -a

Sada kada je sklop kreiran, želimo moći interpretirati naš signal. Da bismo to učinili, možemo koristiti LabVIEW. Za dobivanje signala iz kruga može se koristiti DAQ pomoćnik. Nakon otvaranja LabVIEW -a, postavite krug kao što je prikazano na gornjoj shemi. Pomoćnik DAQ -a će uzeti ovo očitavanje ulaza iz kruga i signal će otići na grafikon valnog oblika. To će vam omogućiti da vidite EKG valni oblik!

Zatim želimo izračunati BPM. Gore postavljeni će to učiniti umjesto vas. Program funkcionira tako da prvo uzme maksimalne vrijednosti dolaznog EKG signala. Vrijednost praga omogućuje nam otkrivanje svih novih vrijednosti koje dolaze i koje dosežu postotak naše maksimalne vrijednosti (u ovom slučaju 90%). Mjesta ovih vrijednosti zatim se šalju u indeksni niz. Budući da indeksiranje počinje na 0, želimo uzeti 0 i 1 točku i izračunati promjenu vremena između njih. To nam daje vrijeme između otkucaja. Zatim ekstrapoliramo te podatke kako bismo pronašli BPM. Točnije, to se postiže množenjem izlaza iz dt elementa i izlaza oduzimanja između dvije vrijednosti u nizovima indeksiranja, a zatim dijeljenjem sa 60 (budući da pretvaramo u minute).

Korak 7: Sve to povežite i isprobajte

Spojite krug na ulaz DAQ ploče. Sada će signal koji unesete proći kroz krug do DAQ ploče, a program LabVIEW će emitirati valni oblik i izračunati BPM.

Čestitamo!