Digitālais EKG un sirdsdarbības mērītājs: 8 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:57

PIEZĪME: Šī nav medicīniska ierīce. Tas ir paredzēts tikai izglītojošiem mērķiem, izmantojot simulētus signālus. Ja izmantojat šo shēmu reāliem EKG mērījumiem, lūdzu, pārliecinieties, ka ķēde un ķēdes un instrumenta savienojumi izmanto akumulatora enerģiju un citas pareizas izolācijas metodes

Elektrokardiogramma (EKG) reģistrē elektriskos signālus sirds cikla laikā. Katru reizi, kad sirds pukst, notiek miokarda šūnu depolarizācijas un hiperpolarizācijas cikls. Depolarizāciju un hiperpolarizāciju var ierakstīt ar elektrodiem, un ārsti lasa šo informāciju, lai uzzinātu vairāk par sirds darbību. EKG var noteikt miokarda infarktu, priekškambaru vai kambaru fibrilāciju, tahikardiju un bradikardiju [1]. Pēc EKG noteikšanas, kāda ir problēma, ārsti var veiksmīgi diagnosticēt un ārstēt pacientu. Izpildiet tālāk norādītās darbības, lai uzzinātu, kā izveidot savu elektrokardiogrammas ierakstīšanas ierīci!

1. solis: materiāli

Ķēdes sastāvdaļas:

• Pieci UA741 operatīvie pastiprinātāji
• Rezistori
• Kondensatori
• Jumper vadi
• DAQ dēlis
• LabVIEW programmatūra

Pārbaudes aprīkojums:

• Funkciju ģenerators
• Līdzstrāvas barošanas avots
• Osciloskops
• BNC kabeļi un T-sadalītājs
• Jumper kabeļi
• Aligatoru klipi
• Banānu spraudņi

2. solis: Instrumentu pastiprinātājs

Ķēdes pirmais posms ir instrumentu pastiprinātājs. Tas pastiprina bioloģisko signālu, lai varētu atšķirt dažādas EKG sastāvdaļas.

Instrumentu pastiprinātāja shēma ir parādīta iepriekš. Šīs ķēdes pirmās pakāpes pastiprinājums ir definēts kā K1 = 1 + 2*R2 / R1. Ķēdes otrās pakāpes pastiprinājums ir definēts kā K2 = R4 / R3. Instrumentu pastiprinātāja kopējais ieguvums ir K1 * K2. Vēlamais ieguvums šim projektam bija aptuveni 1000, tāpēc K1 tika izvēlēts kā 31, bet K2 - 33. Rezistoru vērtības šiem ieguvumiem ir parādītas iepriekš shēmas diagrammā. Varat izmantot iepriekš parādītās rezistoru vērtības vai arī mainīt vērtības, lai tās atbilstu vēlamajam pastiprinājumam. **

Kad esat izvēlējies komponentu vērtības, shēmu var izveidot uz maizes dēļa. Lai vienkāršotu ķēdes savienojumus uz maizes dēļa, negatīvā horizontālā sliede augšpusē tika iestatīta kā zeme, bet divas horizontālās sliedes apakšā bija attiecīgi +/- 15 V.

Pirmais op pastiprinātājs tika novietots maizes dēļa kreisajā pusē, lai atstātu vietu visiem atlikušajiem komponentiem. Pielikumi tika pievienoti tapas hronoloģiskā secībā. Tādējādi ir vieglāk izsekot, kādi gabali ir pievienoti vai nē. Kad visas 1. pastiprinātāja tapas ir pabeigtas, var ievietot nākamo op pastiprinātāju. Atkal pārliecinieties, ka tas ir salīdzinoši tuvu, lai atstātu vietu. Tas pats hronoloģiskais tapas process tika pabeigts visiem op pastiprinātājiem, līdz instrumentu pastiprinātājs bija pabeigts.

Pēc tam shēmas shēmai tika pievienoti apvedceļa kondensatori, lai atbrīvotos no maiņstrāvas savienojuma vados. Šie kondensatori tika novietoti paralēli līdzstrāvas spriegumam un iezemēti uz augšējās horizontālās negatīvās sliedes. Šiem kondensatoriem jābūt diapazonā no 0,1 līdz 1 mikroFarad. Katram op pastiprinātājam ir divi apvedceļa kondensatori, viens tapai 4 un otrs tapai 7. Katram op pastiprinātāja diviem kondensatoriem ir jābūt vienādai vērtībai, taču tie var atšķirties atkarībā no op pastiprinātāja.

Lai pārbaudītu pastiprinājumu, funkciju ģenerators un osciloskops tika pievienoti attiecīgi pastiprinātāja ieejai un izejai. Ievades signāls tika pievienots arī osciloskopam. Lai noteiktu pastiprinājumu, tika izmantots vienkāršs sinusa vilnis. Ievadiet funkciju ģeneratora izeju divos instrumentu pastiprinātāja ieejas spailēs. Iestatiet osciloskopu, lai izmērītu izejas signāla un ieejas signāla attiecību. Ķēdes pastiprinājums decibelos ir Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). Pieaugumam 1000, pieaugums decibelos ir 60dB. Izmantojot osciloskopu, jūs varat noteikt, vai jūsu izveidotās ķēdes pastiprinājums atbilst jūsu specifikācijām vai ja jums ir jāmaina dažas rezistoru vērtības, lai uzlabotu ķēdi.

Kad instrumentu pastiprinātājs ir pareizi salikts un darbojas, varat pāriet uz iecirtuma filtru.

** Iepriekšējā shēmā R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

3. darbība: iecirtuma filtrs

Izgriezuma filtra mērķis ir novērst troksni no 60 Hz sienas barošanas avota. Izgriezuma filtrs vājina signālu pie izslēgšanas frekvences un izlaiž frekvences virs un zem tā. Šai shēmai vēlamā robežfrekvence ir 60 Hz.

Iepriekš redzamās shēmas shēmas vadošie vienādojumi ir R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) un R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), kur Q ir kvalitātes faktors, un w ir 2 * pi * (robežfrekvence). Kvalitātes koeficients 8 dod rezistora un kondensatora vērtības saprātīgā diapazonā. Var pieņemt, ka kondensatora vērtības ir vienādas. Tādējādi jūs varat izvēlēties kondensatora vērtību, kas pieejama jūsu komplektos. Rezistoru vērtības, kas parādītas iepriekšējā ķēdē, ir paredzētas 60 Hz robežfrekvencei, kvalitātes koeficientam 8 un kondensatora vērtībai 0,22 uF.

Tā kā kondensatori tiek pievienoti paralēli, divi izvēlētās vērtības C kondensatori tika novietoti paralēli, lai sasniegtu 2C vērtību. Tāpat op pastiprinātājam tika pievienoti apvedceļa kondensatori.

Lai pārbaudītu iecirtuma filtru, pievienojiet funkciju ģeneratora izeju iecirtuma filtra ieejai. Ievērojiet osciloskopa ķēdes ieeju un izeju. Lai būtu efektīvs iecirtuma filtrs, pie ierobežojuma frekvences pastiprinājumam jābūt mazākam vai vienādam ar -20dB. Tā kā sastāvdaļas nav ideālas, to var būt grūti sasniegt. Aprēķinātās rezistora un kondensatora vērtības var nedot vēlamo pieaugumu. Tas prasīs izmaiņas rezistora un kondensatora vērtībās.

Lai to izdarītu, koncentrējieties uz vienu sastāvdaļu vienlaikus. Palieliniet un samaziniet viena komponenta vērtību, nemainot nevienu citu. Ievērojiet to ietekmi uz ķēdes pastiprinājumu. Tas var prasīt daudz pacietības, lai sasniegtu vēlamo peļņu. Atcerieties, ka varat pievienot rezistorus virknē, lai palielinātu vai samazinātu rezistoru vērtības. Izmaiņas, kas visvairāk uzlaboja mūsu ieguvumus, bija viena kondensatora palielināšana līdz 0,33 uF.

4. solis: zemas caurlaides filtrs

Zemfrekvences filtrs novērš augstākas frekvences troksni, kas var traucēt EKG signālam. Lai iegūtu informāciju par EKG viļņu formu, pietiek ar zemas caurlaides robežu 40 Hz. Tomēr dažas EKG sastāvdaļas pārsniedz 40 Hz. Var izmantot arī 100 Hz vai 150 Hz robežu [2].

Izbūvētais zemas caurlaidības filtrs ir otrās kārtas Butterworth filtrs. Tā kā mūsu ķēdes pastiprinājumu nosaka mērinstrumentu pastiprinātājs, mēs vēlamies pastiprinājumu 1 diapazonā zemas caurlaidības filtram. Lai palielinātu 1, RA ir īssavienojums un RB ir atvērta shēma iepriekš redzamajā shēmā [3]. Ķēdē C1 = 10 / (fc) uF, kur fc ir izslēgšanas frekvence. C1 jābūt mazākam vai vienādam ar C2 * a^2 / (4 * b). Otrās kārtas Butterworth filtram a = sqrt (2) un b = 1. Pievienojot a un b vērtības, vienādojums C2 vienkāršo līdz C1 / 2 vai ir vienāds ar to. Tad R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a^2 * C2^2 - 4 * b * C1 * C2))] un R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), kur w = 2 * pi * fc. Šīs ķēdes aprēķini tika pabeigti, lai nodrošinātu 40 Hz robežu. Rezistoru un kondensatoru vērtības, kas atbilst šīm specifikācijām, ir parādītas iepriekšējā shēmā.

Darbības pastiprinātājs tika novietots maizes dēļa labajā pusē, jo pēc tā netiks pievienotas citas sastāvdaļas. Lai pabeigtu ķēdi, op pastiprinātājam tika pievienoti rezistori un kondensatori. Op pastiprinātājam tika pievienoti arī apvedceļa kondensatori. Ievades terminālis tika atstāts tukšs, jo ieeja tiks iegūta no iecirtuma filtra izejas signāla. Tomēr pārbaudes nolūkos pie ieejas tapas tika novietots vads, lai varētu izolēt zemas caurlaidības filtru un pārbaudīt to atsevišķi.

Sinus vilnis no funkciju ģeneratora tika izmantots kā ieejas signāls un novērots dažādās frekvencēs. Novērojiet osciloskopa ieejas un izejas signālus un nosakiet ķēdes pastiprinājumu dažādās frekvencēs. Zemfrekvences filtram pastiprinājumam pie izslēgšanas frekvences jābūt -3 dB. Šai shēmai pārtraukumam vajadzētu notikt pie 40 Hz. Frekvencēm, kas ir zemākas par 40 Hz, viļņu formā vajadzētu būt vājai vai bez vājinājuma, bet, palielinoties frekvencei virs 40 Hz, pastiprinājumam vajadzētu turpināties.

5. darbība: ķēdes posmu salikšana

Kad esat izveidojis katru ķēdes posmu un pārbaudījis tos neatkarīgi, varat tos visus savienot. Instrumentu pastiprinātāja izejai jābūt savienotai ar iecirtuma filtra ieeju. Izgriezuma filtra izejai jābūt savienotai ar zemas caurlaidības filtra ieeju.

Lai pārbaudītu ķēdi, pievienojiet funkciju ģeneratora ieeju instrumentu pastiprinātāja pakāpes ieejai. Ievērojiet osciloskopa ķēdes ieeju un izeju. Jūs varat pārbaudīt ar iepriekš ieprogrammētu EKG viļņu no funkciju ģeneratora vai ar sinusoīdu un novērot savas ķēdes ietekmi. Iepriekš minētajā osciloskopa attēlā dzeltenā līkne ir ieejas viļņu forma, bet zaļā līkne ir izeja.

Kad esat pievienojis visus ķēdes posmus un parādījis, ka tas darbojas pareizi, varat savienot ķēdes izeju ar DAQ plati un sākt programmēt LabVIEW.

6. darbība: LabVIEW programma

LabVIEW kods ir noteikt sitienus uz metru no simulēta EKG viļņa dažādās frekvencēs. Lai programmētu programmā LabVIEW, vispirms jāidentificē visas sastāvdaļas. Analogs uz ciparu pārveidotājs, kas pazīstams arī kā datu iegūšanas (DAQ) plate, ir jāiestata un jāiestata nepārtrauktai darbībai. Izejas signāls no ķēdes ir pievienots DAQ plates ieejai. Viļņu formas grafiks programmā LabVIEW ir tieši savienots ar DAQ palīga izvadi. DAQ datu izvade arī nonāk maks/min identifikatorā. Pēc tam signāls iet caur reizināšanas aritmētisko operatoru. Sliekšņa vērtības aprēķināšanai izmanto skaitlisko rādītāju 0,8. Kad signāls pārsniedz 0,8*maksimumu, tiek konstatēts maksimums. Ikreiz, kad tika atrasta šī vērtība, tā tika saglabāta indeksu masīvā. Abi datu punkti tiek saglabāti indeksu masīvā un tiek ievadīti atņemšanas aritmētiskajā operatoram. Laika izmaiņas tika konstatētas starp šīm divām vērtībām. Tad, lai aprēķinātu sirdsdarbības ātrumu, 60 dalīts ar laika starpību. Skaitliskais indikators, kas tiek parādīts blakus izvades grafikam, izvada sirdsdarbības ātrumu ievades signāla sitienos minūtē (bpm). Kad programma ir iestatīta, to visu vajadzētu ievietot nepārtrauktas darbības cikla iekšpusē. Dažādas frekvences ieejas dod dažādas bpm vērtības.

7. darbība: apkopojiet EKG datus

Tagad jūs varat ievadīt imitētu EKG signālu savā ķēdē un ierakstīt datus savā LabVIEW programmā! Mainiet simulētās EKG frekvenci un amplitūdu, lai redzētu, kā tas ietekmē jūsu ierakstītos datus. Mainot frekvenci, vajadzētu redzēt izmaiņas aprēķinātajā sirdsdarbības ātrumā. Jūs esat veiksmīgi izstrādājis EKG un sirdsdarbības monitoru!

8. darbība. Turpmākie uzlabojumi

Konstruētā ierīce labi darbosies simulētu EKG signālu iegūšanai. Tomēr, ja vēlaties ierakstīt bioloģiskos signālus (noteikti ievērojiet atbilstošos drošības pasākumus), lai uzlabotu signāla nolasīšanu, ķēdēs ir jāveic papildu izmaiņas. Lai noņemtu līdzstrāvas nobīdi un zemas frekvences kustības artefaktus, jāpievieno augstas caurlaidības filtrs. Mērinstrumentu pastiprinātāja pastiprinājums arī jāsamazina desmit reizes, lai tas paliktu LabVIEW un op pastiprinātāju izmantojamā diapazonā.

Avoti

[1] S. Mēks un F. Moriss, “Ievads. II-pamata terminoloģija.”, BMJ, sēj. 324, nē. 7335, 470. – 3. Lpp., 2002. gada februāris.

[2] Chia-Hung Lin, Frekvenču domēna iezīmes EKG sitienu diskriminācijai, izmantojot pelēko relāciju analīzes klasifikatoru, In Computers & Mathematics with Applications, 55. sējums, 2008. gada 4. izdevums, 680-690. lpp., ISSN 0898-1221, [3] “Otrās kārtas filtrs | Otrās kārtas zemas caurlaidības filtra dizains.” Pamata elektronikas pamācības, 2016. gada 9. septembris, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…