Bioelektrisko signālu ierakstīšana: EKG un sirdsdarbības mērītājs: 7 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 pareizas izolācijas metodes.

Elektrokardiogramma (EKG) ir tests, kurā noteiktā veidā uz objekta tiek novietoti virsmas elektrodi, lai noteiktu un izmērītu subjekta sirds elektrisko aktivitāti [1]. EKG ir daudz pielietojumu, un tā var palīdzēt diagnosticēt sirds slimības, stresa testus un novērošanu operācijas laikā. EKG var noteikt arī sirdsdarbības izmaiņas, aritmijas, sirdslēkmi un daudzas citas pieredzes un slimības [1], kas aprakstītas arī iepriekš minētajā problēmas paziņojumā. Sirds signāls, ko mēra ar EKG, rada trīs atšķirīgas viļņu formas, kas attēlo funkcionējošas sirds plūsmu. Tie ir parādīti attēlā iepriekš.

Šī projekta mērķis ir izveidot ierīci, kas var iegūt EKG signālu no izejas ģeneratora vai cilvēka un reproducēt signālu, vienlaikus novēršot troksni. Sistēmas izlaide arī aprēķinās BPM.

Sāksim!

1. darbība: apkopojiet visus materiālus

Lai izveidotu šo EKG, mēs izveidosim sistēmu, kas sastāv no divām galvenajām daļām - ķēdes un LabVIEW sistēmas. Ķēdes mērķis ir pārliecināties, vai mēs saņemam vēlamo signālu. Ir daudz apkārtējā trokšņa, kas var izslāpēt mūsu EKG signālu, tāpēc mums ir jāpastiprina mūsu signāls, kā arī jāfiltrē visi trokšņi. Kad signāls ir filtrēts un pastiprināts caur ķēdi, mēs varam nosūtīt rafinēto signālu uz LabVIEW programmu, kas parādīs viļņu formu, kā arī aprēķinās BPM. Šim projektam ir nepieciešami šādi materiāli:

-Resistors, kondensators un darbības pastiprinātājs (tika izmantoti op -amp -UA741) elektriskie komponenti

-Lodmetāla maizes dēlis celtniecībai un testēšanai

-DC barošanas avots, lai nodrošinātu strāvu op-amp

-Funkciju ģenerators bioelektriskā signāla piegādei

-Osciloskops, lai apskatītu ieejas signālu

-DAQ plate, lai pārveidotu signālu no analogā uz digitālo

-LABVIEW programmatūra izejas signāla novērošanai

-BNC un mainīga gala vadi

2. solis: shēmas projektēšana

Kā mēs tikko apspriedām, ir nepieciešams gan filtrēt, gan pastiprināt mūsu signālu. Lai to izdarītu, mēs varam iestatīt 3 dažādus mūsu ķēdes posmus. Pirmkārt, mums jāpastiprina mūsu signāls. To var izdarīt, izmantojot instrumentālo pastiprinātāju. Tādā veidā mūsu ievades signāls ir daudz labāk redzams galaproduktā. Pēc tam mums ar šo instrumentu pastiprinātāju ir jābūt sērijveida filtram. Izgriezuma filtrs tiks izmantots, lai novērstu troksni no mūsu barošanas avota. Pēc tam mums var būt zemas caurlaidības filtrs. Tā kā EKG rādījumi parasti ir zemas frekvences, mēs vēlamies pārtraukt visas frekvences, kuru frekvence ir ārpus mūsu EKG nolasīšanas robežām, tāpēc mēs izmantojam zemas caurlaides filtru. Šie posmi ir sīkāk izskaidroti turpmākajās darbībās.

Ja jums ir problēmas ar ķēdi, vislabāk ir simulēt ķēdi tiešsaistes programmā. Tādā veidā jūs varat pārbaudīt, vai jūsu aprēķini par rezistora un kondensatora vērtībām ir pareizi.

3. solis: Instrumentu pastiprinātāja projektēšana

Lai efektīvāk novērotu bioelektrisko signālu, signāls ir jāpastiprina. Šim projektam kopējais sasniegums ir 1000 V/V. Lai sasniegtu norādīto pastiprinājumu no instrumentu pastiprinātāja, ķēdes pretestības vērtības tika aprēķinātas pēc šādiem vienādojumiem:

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

(2. posms) K2 = -R4 / R3

Kur katrs posms tiek reizināts, lai aprēķinātu kopējo peļņu. Rezistoru vērtības, kas izvēlētas, lai palielinātu 1000 V/V, ir R1 = 10 kOhm, R2 = 150 kOhm, R3 = 10 kOhm un R4 = 330 kOhm. Izmantojiet līdzstrāvas barošanas avotu, lai dotu sprieguma diapazonu +/- 15 V (saglabājot zemu strāvas robežu), lai darbinātu fiziskās ķēdes op-amp. Ja vēlaties pārbaudīt rezistoru patiesās vērtības vai vēlaties sasniegt šo pieaugumu pirms būvniecības, varat simulēt ķēdi, izmantojot programmu, piemēram, PSpice vai CircuitLab tiešsaistē, vai izmantot osciloskopu ar noteiktu ieejas signāla spriegumu un pārbaudīt patieso peļņu pēc fiziskā pastiprinātāja izveides. Pievienojiet funkciju ģeneratoru un osciloskopu pastiprinātājam, lai palaistu ķēdi.

Iepriekš redzamajā fotoattēlā ir parādīts, kā ķēde izskatās simulācijas programmatūrā PSpice. Lai pārbaudītu, vai jūsu ķēde darbojas pareizi, no funkciju ģeneratora, caur ķēdi un osciloskopu piegādājiet 1 kHz 10 mV maksimālo-maksimālo sinusa vilni. Uz osciloskopa jānovēro 10 V maksimālais sinusoidālais vilnis.

4. solis: iecirtuma filtra izstrāde

Īpaša problēma, strādājot ar šo ķēdi, ir fakts, ka 60 Hz trokšņa signālu ražo ASV barošanas līnijas. Lai novērstu šo troksni, ieejas signāls ķēdē jāfiltrē ar 60 Hz frekvenci, un kas ir labāks veids, kā to izdarīt, nekā ar iecirtuma filtru!

Izgriezuma filtrs (iepriekš attēlotā ķēde) ir noteikta veida elektriskais filtrs, ko var izmantot, lai no signāla noņemtu noteiktu frekvenci. Lai noņemtu 60 Hz signālu, mēs aprēķinājām šādus vienādojumus:

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

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

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Izmantojot kvalitātes koeficientu (Q) 8, lai izstrādātu pienācīgi precīzu filtru, kapacitāti (C) - 0,033 uFaradas ērtākai montāžai un centrālo frekvenci (w) 2 * pi * 60 Hz. Tas veiksmīgi aprēķināja rezistoru R1 = 5,024 kOhm, R2 = 1,2861 MOhms un R3 = 5,004 kOhm vērtības un veiksmīgi izveidoja filtru, lai noņemtu 60 Hz frekvenci no ieejas bioelektriskā signāla. Ja vēlaties pārbaudīt filtru, varat simulēt ķēdi, izmantojot programmu, piemēram, PSpice vai CircuitLab tiešsaistē, vai izmantot osciloskopu ar noteiktu ieejas signāla spriegumu un pēc fiziskā pastiprinātāja izveidošanas pārbaudīt noņemto signālu. Pievienojiet funkciju ģeneratoru un osciloskopu pastiprinātājam, lai palaistu ķēdi.

Veicot maiņstrāvas slaucīšanu ar šo shēmu frekvenču diapazonā no 1 Hz līdz 1 kHz pie 1 V signāla no maksimuma līdz maksimumam, izejas diagrammā 60 Hz frekvencē jānodrošina “iecirtuma” tipa iezīme, kas tiek noņemta no ieejas signāls.

5. darbība: zemas caurlaidības filtra izstrāde

Ķēdes pēdējais posms ir zemas caurlaidības filtrs, īpaši otrās kārtas Butterworth zemas caurlaides filtrs. To izmanto, lai izolētu mūsu EKG signālu. EKG viļņu formas parasti ir frekvenču robežās no 0 līdz ~ 100 Hz. Tātad, mēs aprēķinām mūsu rezistora un kondensatora vērtības, pamatojoties uz ierobežojuma frekvenci 100 Hz un kvalitātes koeficientu 8, kas mums dotu salīdzinoši precīzu filtru.

R1 = 2/(w [aC2+kv. (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

Mūsu aprēķinātās vērtības bija R1 = 81,723 kOhm, R2 = 120,92 kOHms, C1 = 0,1 mikroFarads un C2 = 0,045 mikroFarads. Ieslēdziet pastiprinātājus ar līdzstrāvas spriegumu + un - 15V. Ja vēlaties pārbaudīt filtru, varat simulēt ķēdi, izmantojot programmu, piemēram, PSpice vai CircuitLab tiešsaistē, vai izmantot osciloskopu ar noteiktu ieejas signāla spriegumu un pēc fiziskā pastiprinātāja izveidošanas pārbaudīt noņemto signālu. Pievienojiet funkciju ģeneratoru un osciloskopu pastiprinātājam, lai palaistu ķēdi. Pie izslēgšanas frekvences jums vajadzētu redzēt -3 dB. Tas norāda, ka jūsu ķēde darbojas pareizi.

6. darbība. LabVIEW iestatīšana

Tagad, kad ķēde ir izveidota, mēs vēlamies spēt interpretēt savu signālu. Lai to izdarītu, mēs varam izmantot LabVIEW. Lai iegūtu signālu no ķēdes, var izmantot DAQ palīgu. Pēc LabVIEW atvēršanas iestatiet ķēdi, kā parādīts iepriekš redzamajā diagrammā. DAQ palīgs ņems šo ievades nolasījumu no ķēdes, un signāls pāries uz viļņu formas grafiku. Tas ļaus jums redzēt EKG viļņu formu!

Tālāk mēs vēlamies aprēķināt BPM. Iepriekš minētais iestatījums to darīs jūsu vietā. Programma darbojas, vispirms ņemot ienākošā EKG signāla maksimālās vērtības. Sliekšņa vērtība ļauj mums noteikt visas jaunās vērtības, kas nāk un sasniedz procentuālo daļu no mūsu maksimālās vērtības (šajā gadījumā 90%). Pēc tam šo vērtību atrašanās vietas tiek nosūtītas uz indeksācijas masīvu. Tā kā indeksēšana sākas ar 0, mēs vēlamies ņemt 0 un 1 punktu un aprēķināt laika izmaiņas starp tām. Tas dod mums laiku starp sitieniem. Pēc tam mēs ekstrapolējam šos datus, lai atrastu BPM. Konkrēti, tas tiek darīts, reizinot dt elementa izvadi un atņemšanas izvadi starp abām indeksācijas masīvu vērtībām un pēc tam dalot ar 60 (jo mēs pārvēršam minūtēs).

7. solis: savienojiet to visu un pārbaudiet

Pievienojiet ķēdi DAQ plates ieejai. Tagad ievadītais signāls caur ķēdi nonāks DAQ panelī, un programma LabVIEW izvadīs viļņu formu un aprēķināto BPM.

Apsveicu!