Цифров ЕКГ и пулсомер: 8 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:54

ЗАБЕЛЕЖКА: Това не е медицинско изделие. Това е само за образователни цели, като се използват симулирани сигнали. Ако използвате тази схема за реални измервания на ЕКГ, моля, уверете се, че веригата и връзките верига към инструмент използват захранване от батерията и други подходящи техники за изолация

Електрокардиограма (ЕКГ) записва електрически сигнали по време на сърдечния цикъл. Всеки път, когато сърцето бие, има цикъл на деполяризиране и хипер поляризация на миокардните клетки. Деполяризацията и хиперполяризацията могат да бъдат записани с електроди и лекарите четат тази информация, за да научат повече за това как функционира сърцето. ЕКГ може да определи миокарден инфаркт, предсърдно или камерно мъждене, тахикардия и брадикардия [1]. След като определят какъв е проблемът от ЕКГ, лекарите могат успешно да диагностицират и лекуват пациента. Следвайте стъпките по -долу, за да научите как да направите свое собствено устройство за запис на електрокардиограма!

Стъпка 1: Материали

Компоненти на веригата:

• Пет операционни усилвателя UA741
• Резистори
• Кондензатори
• Кабелни проводници
• DAQ дъска
• Софтуер LabVIEW

Тестово оборудване:

• Генератор на функции
• DC захранване
• Осцилоскоп
• BNC кабели и Т-сплитер
• Джъмперни кабели
• Алигаторни клипове
• Тапи за банани

Стъпка 2: Инструментален усилвател

Първият етап на веригата е инструментален усилвател. Това усилва биологичния сигнал, така че различните компоненти на ЕКГ могат да бъдат разграничени.

Схемата за инструменталния усилвател е показана по -горе. Усилването на първия етап на тази верига се определя като K1 = 1 + 2*R2 / R1. Печалбата на втория етап на веригата се дефинира като K2 = R4 / R3. Общата печалба на инструменталния усилвател е K1 * K2. Желаното усилване за този проект беше приблизително 1000, така че K1 беше избран за 31, а K2 беше избран за 33. Стойностите на резисторите за тези печалби са показани по -горе в електрическата схема. Можете да използвате стойностите на резистора, показани по -горе, или можете да промените стойностите, за да отговорите на желаното усилване. **

След като сте избрали стойностите на компонентите си, веригата може да бъде конструирана на макета. За да се опростят връзките на веригата на макета, отрицателната хоризонтална шина отгоре беше зададена като земя, докато двете хоризонтални релси отдолу бяха настроени съответно на +/- 15V.

Първият операционен усилвател беше поставен от лявата страна на макета, за да остави място за всички останали компоненти. Прикачените файлове бяха добавени в хронологичен ред на щифтовете. Това улеснява проследяването на кои парчета са добавени или не. След като всички пинове са завършени за операционен усилвател 1, следващият операционен усилвател може да бъде поставен. Отново се уверете, че е сравнително близо, за да оставите място. Същият хронологичен пинов процес беше завършен за всички операционни усилватели, докато инструменталният усилвател не завърши.

След това в допълнение към електрическата схема бяха добавени байпасни кондензатори, за да се отървете от променливотоковото свързване в проводниците. Тези кондензатори бяха поставени успоредно с захранването с DC напрежение и заземени на горната хоризонтална отрицателна шина. Тези кондензатори трябва да са в диапазона от 0,1 до 1 microFarad. Всеки операционен усилвател има два байпасни кондензатора, един за щифт 4 и един за пин 7. Двата кондензатора на всеки операционен усилвател трябва да имат една и съща стойност, но могат да варират от операционен усилвател до операционен усилвател.

За да се тества усилването, функционален генератор и осцилоскоп бяха свързани съответно входа и изхода на усилвателя. Входният сигнал също беше свързан към осцилоскопа. За определяне на усилването беше използвана проста синусоида. Въведете изхода на генератора на функции в двата входни извода на инструменталния усилвател. Настройте осцилоскопа да измерва съотношението на изходния сигнал към входния сигнал. Печалбата на верига в децибели е Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). При печалба от 1000 печалбата в децибели е 60dB. С помощта на осцилоскопа можете да определите дали усилването на изградената от вас верига отговаря на вашите спецификации или трябва да промените някои стойности на резистора, за да подобрите схемата си.

След като инструменталният усилвател е правилно сглобен и функционира, можете да преминете към филтъра с прорези.

** В горната електрическа схема R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Стъпка 3: Notch Filter

Целта на назъбения филтър е да премахне шума от стеновото захранване от 60 Hz. Филтър с прорез отслабва сигнала на граничната честота и преминава честоти над и под нея. За тази верига желаната гранична честота е 60 Hz.

Управляващите уравнения за схемата на веригата, показани по -горе, са R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) и R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), където Q е качествен фактор, а w е 2 * pi * (гранична честота). Фактор на качеството 8 дава стойности на резистора и кондензатора в разумен диапазон. Стойностите на кондензатора могат да се приемат за еднакви. По този начин можете да изберете стойността на кондензатора, налична във вашите комплекти. Стойностите на резистора, показани в схемата по -горе, са за честота на прекъсване 60 Hz, коефициент на качество 8 и стойност на кондензатор 0,22 uF.

Тъй като кондензаторите се добавят паралелно, два кондензатора с избраната стойност C бяха поставени паралелно, за да се постигне стойност 2C. Също така, към операционния усилвател бяха добавени байпасни кондензатори.

За да тествате филтъра с прорези, свържете изхода от функционалния генератор към входа на филтъра с прорези. Наблюдавайте входа и изхода на веригата на осцилоскоп. За да имате ефективен филтър с прорези, трябва да имате усилване по -малко или равно на -20dB при граничната честота. Тъй като компонентите не са идеални, това може да бъде трудно да се постигне. Изчислените стойности на резистора и кондензатора може да не ви дадат желаната печалба. Това ще изисква да промените стойностите на резистора и кондензатора.

За да направите това, фокусирайте се върху един компонент наведнъж. Увеличете и намалете стойността на един компонент, без да променяте други. Наблюдавайте ефектите, които това оказва върху усилването на веригата. Това може да изисква много търпение, за да се постигне желаната печалба. Не забравяйте, че можете да добавяте резистори последователно, за да увеличите или намалите стойностите на резисторите. Промяната, която подобри най -много нашата печалба, беше да увеличим един от кондензаторите до 0,33 uF.

Стъпка 4: Нискочестотен филтър

Нискочестотният филтър премахва шумовете с по -висока честота, които могат да попречат на ЕКГ сигнала. Нискочестотен прекъсвач от 40 Hz е достатъчен за улавяне на информация за формата на ЕКГ. Някои компоненти на ЕКГ обаче надвишават 40 Hz. Може да се използва и прекъсване от 100 Hz или 150 Hz [2].

Конструираният нискочестотен филтър е филтър от втория ред Butterworth. Тъй като усилването на нашата верига се определя от инструменталния усилвател, ние искаме печалба от 1 в лентата за нискочестотния филтър. За усилване 1, RA е късо съединение и RB е отворен в схемата по -горе [3]. Във веригата C1 = 10 / (fc) uF, където fc е граничната честота. C1 трябва да бъде по -малко или равно на C2 * a^2 / (4 * b). За филтър на Butterworth от втори ред, a = sqrt (2) и b = 1. Включвайки стойности за a и b, уравнението за C2 се опростява до по -малко или равно на C1 / 2. Тогава R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a^2 * C2^2 - 4 * b * C1 * C2))] и R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), където w = 2 * pi * fc. Изчисленията за тази верига бяха завършени, за да се осигури прекъсване от 40Hz. Стойностите на резистора и кондензатора, които отговарят на тези спецификации, са показани на горната електрическа схема.

Операционният усилвател е поставен в най -дясната страна на макета, тъй като няма да се добавят други компоненти след него. Към операционния усилвател бяха добавени резистори и кондензатори, за да се завърши веригата. Към операционния усилвател бяха добавени и байпасни кондензатори. Входният терминал е оставен празен, тъй като входът ще идва от изходния сигнал на филтъра с прорез. Въпреки това, за целите на тестването, проводникът беше поставен на входния щифт, за да може да изолира нискочестотния филтър и да го тества индивидуално.

Синусоидална вълна от функционалния генератор се използва като входен сигнал и се наблюдава при различни честоти. Наблюдавайте както входните, така и изходните сигнали на осцилоскоп и определете усилването на веригата при различни честоти. За нискочестотен филтър усилването при граничната честота трябва да бъде -3db. За тази верига прекъсването трябва да се случи при 40 Hz. Честотите под 40 Hz трябва да имат малко или никакво затихване във формата на вълната, но тъй като честотата се увеличава над 40 Hz, усилването трябва да продължи да пада.

Стъпка 5: Сглобяване на етапи на веригата

След като сте изградили всеки етап от веригата и сте ги тествали независимо, можете да ги свържете всички. Изходът на инструменталния усилвател трябва да бъде свързан към входа на филтъра с прорези. Изходът на режещия филтър трябва да бъде свързан към входа на нискочестотния филтър.

За да тествате веригата, свържете входа на генератора на функции към входа на етапа на усилвателния прибор. Наблюдавайте входа и изхода на веригата на осцилоскоп. Можете да тествате с предварително програмирана ЕКГ вълна от функционалния генератор или със синусоидална вълна и да наблюдавате ефектите от вашата верига. В горното изображение на осцилоскопа жълтата крива е входната форма на вълната, а зелената крива е изходната.

След като свържете всичките си етапи на веригата и демонстрирате, че работи правилно, можете да свържете изхода на вашата схема към DAQ платката и да започнете програмирането в LabVIEW.

Стъпка 6: Програма LabVIEW

Кодът на LabVIEW е за откриване на удари на метър от симулирана ЕКГ вълна при различни честоти. За да програмирате в LabVIEW, първо трябва да идентифицирате всички компоненти. Аналогово -цифров преобразувател, известен също като платка за събиране на данни (DAQ), трябва да бъде настроен и настроен да работи непрекъснато. Изходният сигнал от веригата е свързан към входа на DAQ платката. Графиката на формата на вълната в програмата LabVIEW е свързана директно към изхода на DAQ асистента. Изходът от DAQ данните също отива към идентификатора max/min. След това сигналът преминава през аритметичен оператор за умножение. Численият индикатор 0,8 се използва за изчисляване на праговата стойност. Когато сигналът надвишава 0,8*максимум, се открива пик. Всеки път, когато се намери тази стойност, тя се съхранява в индексния масив. Двете точки от данни се съхраняват в индексния масив и се въвеждат в аритметичния оператор за изваждане. Промяната във времето е установена между тези две стойности. След това, за да се изчисли сърдечната честота, 60 се дели на часовата разлика. Числен индикатор, който е показан до изходната графика, извежда сърдечната честота в удари в минута (bpm) на входния сигнал. След като програмата е настроена, тя трябва да бъде поставена в непрекъснат цикъл while. Различните честотни входове дават различни стойности на bpm.

Стъпка 7: Съберете ЕКГ данни

Сега можете да въведете симулиран ЕКГ сигнал във вашата верига и да запишете данни във вашата програма LabVIEW! Променете честотата и амплитудата на симулирания ЕКГ, за да видите как това се отразява на вашите записани данни. Докато променяте честотата, трябва да видите промяна в изчислената сърдечна честота. Успешно сте проектирали ЕКГ и пулсомер!

Стъпка 8: Допълнителни подобрения

Конструираното устройство ще работи добре за получаване на симулирани ЕКГ сигнали. Ако обаче искате да записвате биологични сигнали (не забравяйте да спазвате подходящи предпазни мерки), трябва да се направят допълнителни модификации на веригите, за да се подобри отчитането на сигнала. Трябва да се добави високочестотен филтър, за да се отстранят артефактите на DC компенсиране и нискочестотно движение. Печалбата на инструменталния усилвател също трябва да бъде намалена десетократно, за да остане в рамките на използваемия диапазон за LabVIEW и операционните усилватели.

Източници

[1] С. Мийк и Ф. Морис, „Въведение. II-основна терминология.”, BMJ, кн. 324, не. 7335, стр. 470–3, февруари 2002 г.

[2] Chia-Hung Lin, Функции в честотната област за ЕКГ бие дискриминация с помощта на класификатор, базиран на сив релационен анализ, В компютри и математика с приложения, том 55, брой 4, 2008, страници 680-690, ISSN 0898-1221, [3] „Филтър от втори ред | Дизайн на нискочестотен филтър от втори ред.” Основни уроци по електроника, 9 септември 2016 г., www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…