Записване на биоелектрични сигнали: ЕКГ и монитор на сърдечната честота: 7 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 подходящи техники за изолация.

Електрокардиограма (ЕКГ) е тест, при който повърхностни електроди се поставят върху субект по определен начин за откриване и измерване на електрическата активност на сърцето на пациента [1]. ЕКГ има много приложения и може да функционира като помощ при диагностициране на сърдечни заболявания, стрес тестове и наблюдение по време на операция. ЕКГ може също да открие промени в сърдечния ритъм, аритмии, инфаркт и много други преживявания и заболявания [1], също описани в описанието на проблема по -горе. Сърдечният сигнал, измерен чрез ЕКГ, произвежда три различни форми на вълната, които изобразяват жива храна на функциониращото сърце. Те са показани на изображението по -горе.

Целта на този проект е да се създаде устройство, което може да получи ЕКГ сигнала от изходен генератор или човек и да възпроизведе сигнала, като същевременно елиминира шума. Изходът на системата също ще изчисли BPM.

Да започваме!

Стъпка 1: Съберете всички материали

За да създадем тази ЕКГ, ще създадем система, която се състои от две основни части, веригата и системата LabVIEW. Целта на веригата е да се увери, че получаваме желания сигнал. Има много околен шум, който може да заглуши нашия ЕКГ сигнал, така че трябва да усилим сигнала си, както и да филтрираме всеки шум. След като сигналът е филтриран и усилен през веригата, можем да изпратим усъвършенствания сигнал до програма LabVIEW, която ще покаже формата на вълната, както и ще изчисли BPM. За този проект са необходими следните материали:

-Резистор, кондензатор и операционен усилвател (използвани са операционни усилватели -UA741) електрически компоненти

-Непояна платка за изграждане и тестване

-DC захранване за захранване на операционни усилватели

-Функционен генератор за подаване на биоелектрически сигнал

-Осцилоскоп за преглед на входния сигнал

-DAQ платка за преобразуване на сигнал от аналогов в цифров

-Софтуер LabVIEW за наблюдение на изходния сигнал

-BNC и променливи крайни кабели

Стъпка 2: Проектиране на веригата

Както току -що обсъдихме, е необходимо да филтрираме и усилим сигнала си. За да направим това, можем да настроим 3 различни етапа на нашата верига. Първо, трябва да усилим сигнала си. Това може да стане с помощта на инструментален усилвател. По този начин входният ни сигнал може да се види много по -добре в крайния продукт. След това трябва да имаме серийно филтър с този инструментален усилвател. Филтърът с прорези ще се използва за премахване на шума от нашия източник на захранване. След това можем да имаме нискочестотен филтър. Тъй като показанията на ЕКГ обикновено са с ниска честота, ние искаме да прекъснем всички честоти, които са на честота, която е извън нашите граници за отчитане на ЕКГ, затова използваме нискочестотен филтър. Тези етапи са обяснени по -подробно в следващите стъпки.

Ако имате проблеми с вашата верига, най -добре е да симулирате веригата си в онлайн програма. По този начин можете да проверите дали вашите изчисления за стойностите на резистора и кондензатора са правилни.

Стъпка 3: Проектиране на инструменталния усилвател

За да се наблюдава по -ефективно биоелектрическия сигнал, сигналът трябва да бъде усилен. За този проект печалбата за постигане като цяло е 1000 V/V. За да се достигне определената печалба от инструменталния усилвател, стойностите на съпротивлението за веригата бяха изчислени чрез следните уравнения:

(Етап 1) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(Етап 2) K2 = -R4 / R3

Когато всеки от етапите се умножава, за да се изчисли общата печалба. Стойностите на резистора, избрани за създаване на усилване от 1000 V/V, са R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms и R4 = 330 kOhms. Използвайте DC захранването, за да дадете диапазон на напрежение от +/- 15 V (поддържайки границата на тока ниска) за захранване на оп-усилвателите на физическата верига. Ако искате да проверите истинските стойности на резисторите или искате да постигнете тази печалба преди изграждането, можете да симулирате веригата с помощта на програма като PSpice или CircuitLab онлайн, или да използвате осцилоскоп с зададено напрежение на входния сигнал и да проверите за истинското печалба след изграждане на физически усилвател. Свържете генератора на функциите и осцилоскопа към усилвателя, за да стартирате веригата.

Снимката по -горе изобразява как изглежда схемата в симулационен софтуер PSpice. За да проверите дали вашата верига работи правилно, подайте 1 kHz 10 mV пикова до пикова синусова вълна от функционалния генератор, през веригата и към осцилоскопа. На осцилоскопа трябва да се наблюдава синусова вълна от 10 V до връх.

Стъпка 4: Проектиране на Notch Filter

Специфичен проблем при работа с тази схема е фактът, че шум от 60 Hz се произвежда от захранващи линии в САЩ. За да премахнете този шум, входният сигнал във веригата трябва да се филтрира при 60 Hz и какъв по -добър начин да направите това от филтъра с прорез!

Филтър с прорез (схемата, изобразена по -горе) е определен вид електрически филтър, който може да се използва за премахване на определена честота от сигнал. За да премахнем 60 Hz сигнала, изчислихме следните уравнения:

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

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

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Използвайки качествен фактор (Q) 8 за проектиране на прилично точен филтър, капацитет (C) от 0,033 uFarads за по -лесно сглобяване и централна честота (w) 2 * pi * 60 Hz. Това успешно изчислява стойности за резисторите R1 = 5.024 kOhms, R2 = 1.2861 MOhms и R3 = 5.004 kOhms и успешно създава филтър за премахване на честота 60 Hz от входния биоелектричен сигнал. Ако искате да проверите филтъра, можете да симулирате веригата, използвайки програма като PSpice или CircuitLab онлайн, или да използвате осцилоскоп с дадено напрежение на входния сигнал и да проверите за отстранения сигнал след изграждането на физически усилвател. Свържете генератора на функциите и осцилоскопа към усилвателя, за да стартирате веригата.

Извършването на променлив ток с тази верига в диапазон от честоти от 1 Hz до 1 kHz при 1 V пиков до пиков сигнал трябва да доведе до характеристика тип „прорез“при 60 Hz в изходния график, която се отстранява от входа сигнал.

Стъпка 5: Проектиране на нискочестотен филтър

Последният етап от веригата е нискочестотният филтър, по-специално нискочестотният филтър от втори ред Butterworth. Това се използва за изолиране на нашия ЕКГ сигнал. Формите на ЕКГ вълните обикновено са в границите на честотата от 0 до ~ 100 Hz. Така че, ние изчисляваме стойностите на нашия резистор и кондензатор въз основа на граничната честота от 100 Hz и коефициент на качество 8, което би ни дало относително точен филтър.

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

Стойностите, които изчислихме, в крайна сметка бяха R1 = 81.723kOhms, R2 = 120.92kOHms, C1 = 0.1 microFarads и C2 = 0.045 microFarads. Захранвайте операционните усилватели с DC напрежение от + и - 15V. Ако искате да проверите филтъра, можете да симулирате веригата с помощта на програма като PSpice или CircuitLab онлайн, или да използвате осцилоскоп с дадено напрежение на входния сигнал и да проверите за отстранения сигнал след изграждането на физически усилвател. Свържете генератора на функциите и осцилоскопа към усилвателя, за да стартирате веригата. При граничната честота трябва да видите величина -3 dB. Това показва, че вашата верига работи правилно.

Стъпка 6: Настройване на LabVIEW

Сега, след като веригата е създадена, искаме да можем да интерпретираме нашия сигнал. За да направим това, можем да използваме LabVIEW. Асистент DAQ може да се използва за получаване на сигнала от веригата. След отваряне на LabVIEW, настройте веригата, както е показано на диаграмата по -горе. Асистентът на DAQ ще вземе това отчитане на входа от веригата и сигналът ще отиде в графиката на формата на вълната. Това ще ви позволи да видите ЕКГ формата на вълната!

След това искаме да изчислим BPM. Настройката по -горе ще направи това вместо вас. Програмата функционира, като първо приема максималните стойности на входящия ЕКГ сигнал. Праговата стойност ни позволява да открием всички нови стойности, които идват, които достигат процент от нашата максимална стойност (в този случай 90%). След това местоположенията на тези стойности се изпращат към индексиращия масив. Тъй като индексирането започва с 0, искаме да вземем 0 -та и 1 -ва точка и да изчислим промяната във времето между тях. Това ни дава време между ударите. След това екстраполираме тези данни, за да намерим BPM. По -конкретно, това се прави чрез умножаване на изхода от елемента dt и изхода на изваждането между двете стойности в индексиращите масиви и след това разделяне на 60 (тъй като преобразуваме в минути).

Стъпка 7: Свържете всичко и го изпробвайте

Свържете веригата към входа на DAQ платката. Сега сигналът, който въвеждате, ще премине през веригата към платката DAQ и програмата LabVIEW ще изведе формата на вълната и изчисления BPM.

Поздравления!