Digitalni EKG i monitor otkucaja srca: 8 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

OBAVIJEST: Ovo nije medicinski uređaj. Ovo je samo u obrazovne svrhe korištenjem simuliranih signala. Ako koristite ovaj krug za stvarna mjerenja EKG-a, provjerite da li krug i veze kola s instrumentom koriste energiju baterije i druge odgovarajuće tehnike izolacije

Elektrokardiogram (EKG) snima električne signale tokom srčanog ciklusa. Svaki put kad srce kuca, postoji ciklus depolarizacije i hiperpolarizacije stanica miokarda. Depolarizaciju i hiperpolarizaciju mogu snimiti elektrode, a liječnici čitaju te podatke kako bi saznali više o tome kako srce funkcionira. EKG može odrediti infarkt miokarda, atrijalnu ili ventrikularnu fibrilaciju, tahikardiju i bradikardiju [1]. Nakon što EKG -om utvrde u čemu je problem, liječnici mogu uspješno dijagnosticirati i liječiti pacijenta. Slijedite donje korake da biste saznali kako napraviti vlastiti uređaj za snimanje elektrokardiograma!

Korak 1: Materijali

Komponente kola:

• Pet operativnih pojačala UA741
• Otpornici
• Kondenzatori
• Žice za kratkospojnike
• DAQ ploča
• LabVIEW softver

Oprema za testiranje:

• Generator funkcija
• DC napajanje
• Osciloskop
• BNC kablovi i T-razdjelnik
• Premosni kablovi
• Aligator clips
• Čepovi za banane

Korak 2: Instrumentacijsko pojačalo

Prva faza kola je instrumentacijsko pojačalo. Ovo pojačava biološki signal tako da se mogu razlikovati različite komponente EKG -a.

Shema kola za instrumentacijsko pojačalo prikazana je gore. Pojačanje prve faze ovog kola definirano je kao K1 = 1 + 2*R2 / R1. Pojačanje druge faze kruga definirano je kao K2 = R4 / R3. Ukupni dobitak instrumentacijskog pojačala je K1 * K2. Željeni dobitak za ovaj projekt bio je približno 1000, pa je K1 izabran kao 31, a K2 kao 33. Vrijednosti otpornika za ove dobitke prikazane su gore u dijagramu kola. Možete koristiti vrijednosti otpornika prikazane gore ili možete izmijeniti vrijednosti tako da zadovolje željeno pojačanje. **

Nakon što odaberete vrijednosti komponenti, krug se može izgraditi na matičnoj ploči. Kako bi se pojednostavile veze kruga na ploči, negativna vodoravna šina na vrhu postavljena je kao uzemljenje, dok su dvije vodoravne šine na dnu postavljene na +/- 15V.

Prvo pojačalo postavljeno je s lijeve strane ploče kako bi se ostavilo prostora za sve preostale komponente. Prilozi su dodani hronološkim redosledom pinova. Ovo olakšava praćenje koji su dijelovi dodani ili ne. Nakon što su svi pinovi završeni za op pojačalo 1, može se postaviti sljedeće op pojačalo. Ponovo se pobrinite da bude relativno blizu kako biste ostavili prostora. Isti hronološki postupak sa pin -om je završen za sva op pojačala sve dok instrumentaciono pojačalo nije završeno.

Zatim su dodani zaobilazni kondenzatori kao dodatak dijagramu kola kako bi se uklonili AC spojevi u žicama. Ovi kondenzatori su postavljeni paralelno s napajanjem istosmjernog napona i uzemljeni na gornjoj vodoravnoj negativnoj šini. Ovi kondenzatori trebaju biti u rasponu od 0,1 do 1 mikroFarada. Svaki op pojačalo ima dva premosna kondenzatora, jedan za pin 4 i jedan za pin 7. Dva kondenzatora na svakom op pojačalu moraju imati istu vrijednost, ali mogu varirati od op pojačala do op pojačala.

Kako bi se testiralo pojačanje, funkcijski generator i osciloskop su spojeni na ulaz i izlaz pojačala. Ulazni signal je takođe povezan sa osciloskopom. Za određivanje pojačanja korišten je jednostavan sinusni val. Ulaz izlaza generatora funkcija u dva ulazna priključka instrumentacijskog pojačala. Postavite osciloskop da mjeri odnos izlaznog signala prema ulaznom signalu. Dobit kola u decibelima je Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). Za pojačanje od 1000, dobitak u decibelima je 60 dB. Pomoću osciloskopa možete utvrditi zadovoljava li dobitak vašeg konstruiranog kola vaše specifikacije ili trebate promijeniti neke vrijednosti otpornika da biste poboljšali svoje kolo.

Nakon što je instrumentacijsko pojačalo pravilno sastavljeno i ispravno, možete prijeći na urezni filter.

** U gornjem dijagramu kola, R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Korak 3: Notch filter

Svrha urezanog filtera je uklanjanje buke iz zidnog napajanja od 60 Hz. Urezani filter prigušuje signal na graničnoj frekvenciji i propušta frekvencije iznad i ispod nje. Za ovo kolo željena granična frekvencija je 60 Hz.

Upravljačke jednadžbe za dijagram kola prikazane gore su R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) i R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), gdje Q je faktor kvalitete, a w je 2 * pi * (granična frekvencija). Faktor kvalitete 8 daje vrijednosti otpornika i kondenzatora u razumnom rasponu. Može se pretpostaviti da su vrijednosti kondenzatora sve iste. Tako možete odabrati vrijednost kondenzatora koja je dostupna u vašim kompletima. Vrijednosti otpornika prikazane u gornjem krugu odnose se na graničnu frekvenciju od 60 Hz, faktor kvalitete od 8 i vrijednost kondenzatora od 0,22 uF.

Budući da se kondenzatori dodaju paralelno, dva kondenzatora odabrane vrijednosti C postavljena su paralelno kako bi se postigla vrijednost od 2C. Opasu su dodani i bypass kondenzatori.

Za testiranje urezanog filtera, spojite izlaz iz generatora funkcija na ulaz urezanog filtera. Promatrajte ulaz i izlaz kola na osciloskopu. Da biste imali učinkovit urezani filter, trebali biste imati dobitak manji ili jednak -20dB na graničnoj frekvenciji. Budući da komponente nisu idealne, to može biti teško postići. Izračunate vrijednosti otpornika i kondenzatora možda neće dati željeni dobitak. To će zahtijevati da promijenite vrijednosti otpornika i kondenzatora.

Da biste to učinili, fokusirajte se na jednu po jednu komponentu. Povećajte i smanjite vrijednost jedne komponente bez promjene bilo koje druge. Promatrajte učinke koje ovo ima na pojačanje kola. To može zahtijevati puno strpljenja kako bi se postigao željeni dobitak. Upamtite, možete dodati otpornike u seriji kako biste povećali ili smanjili vrijednosti otpornika. Promjena koja je najviše poboljšala naš dobitak bila je povećanje jednog od kondenzatora na 0,33 uF.

Korak 4: Niskopropusni filter

Niskopropusni filter uklanja šum veće frekvencije koji može ometati EKG signal. Nizak prolaz od 40 Hz dovoljan je za snimanje informacija o EKG talasnom obliku. Međutim, neke komponente EKG -a prelaze 40 Hz. Također se može koristiti granična vrijednost od 100 Hz ili 150 Hz [2].

Konstruisani niskopropusni filter je Butterworthov filter drugog reda. Budući da je dobitak našeg kola određen instrumentacijskim pojačalom, želimo dobitak od 1 unutar pojasa za niskopropusni filter. Za pojačanje 1, RA je kratko spojen, a RB je otvoren u gornjoj shemi kola [3]. U krugu, C1 = 10 / (fc) uF, gdje je fc granična frekvencija. C1 bi trebao biti manji ili jednak C2 * a^2 / (4 * b). Za Butterworthov filter drugog reda, a = sqrt (2) i b = 1. Uključivanjem vrijednosti za a i b, jednadžba za C2 pojednostavljuje se na manje ili jednako na C1 / 2. Tada je R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a^2 * C2^2 - 4 * b * C1 * C2))] i R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), gdje je w = 2 * pi * fc. Proračuni za ovo kolo su dovršeni kako bi se osiguralo granično ograničenje od 40Hz. Vrijednosti otpornika i kondenzatora koje zadovoljavaju ove specifikacije prikazane su na gornjoj shemi kola.

Op pojačalo je postavljeno na krajnju desnu stranu ploče jer nakon njega neće biti dodane druge komponente. Opirnom pojačalu dodani su otpornici i kondenzatori kako bi se upotpunilo kolo. Opasu su dodani i bypass kondenzatori. Ulazni terminal je ostavljen prazan jer će ulaz dolaziti iz izlaznog signala urezanog filtera. Međutim, radi testiranja, žica je postavljena na ulazni pin kako bi se mogao izolirati niskopropusni filter i testirati pojedinačno.

Sinusni val iz generatora funkcija korišten je kao ulazni signal i promatran na različitim frekvencijama. Promatrajte ulazne i izlazne signale na osciloskopu i odredite pojačanje kola na različitim frekvencijama. Za niskopropusni filter, dobitak na graničnoj frekvenciji trebao bi biti -3db. Za ovo kolo, prekid bi trebao nastupiti na 40 Hz. Frekvencije ispod 40Hz bi trebale imati malo ili nimalo slabljenja u svom valnom obliku, ali kako se frekvencija povećava iznad 40 Hz, pojačanje bi se trebalo nastaviti smanjivati.

Korak 5: Sklapanje etapa kola

Nakon što ste izgradili svaku fazu kola i nezavisno ih testirali, možete ih sve spojiti. Izlaz instrumentacijskog pojačala treba spojiti na ulaz urezanog filtera. Izlaz urezanog filtera treba spojiti na ulaz niskopropusnog filtra.

Da biste testirali kolo, spojite ulaz generatora funkcije na ulaz stepena instrumentalnog pojačala. Promatrajte ulaz i izlaz kola na osciloskopu. Možete testirati s unaprijed programiranim EKG-om iz generatora funkcija ili s sinusnim valom i promatrati učinke vašeg kruga. Na gornjoj slici osciloskopa, žuta krivulja je ulazni valni oblik, a zelena krivulja je izlaz.

Nakon što ste spojili sve faze kruga i pokazali da radi ispravno, možete spojiti izlaz vašeg kruga na DAQ ploču i započeti programiranje u LabVIEW -u.

Korak 6: Program LabVIEW

LabVIEW kôd služi za otkrivanje otkucaja po metru iz simuliranog EKG vala na različitim frekvencijama. Za programiranje u LabVIEW -u morate prvo identificirati sve komponente. Analogno -digitalni pretvarač, poznat i kao ploča za prikupljanje podataka (DAQ), mora se postaviti i postaviti da radi neprekidno. Izlazni signal iz kola spojen je na ulaz DAQ ploče. Grafikon valnog oblika u programu LabVIEW spojen je direktno na izlaz pomoćnika DAQ. Izlaz iz DAQ podataka također ide do max/min identifikatora. Signal zatim prolazi kroz aritmetički operator množenja. Numerički pokazatelj 0,8 koristi se za izračunavanje granične vrijednosti. Kada signal pređe 0,8*maksimum, detektira se vrhunac. Kad god je ova vrijednost pronađena, bila je pohranjena u indeksni niz. Dvije točke podataka pohranjene su u nizu indeksa i unose se u aritmetički operator oduzimanja. Između ove dvije vrijednosti pronađena je promjena u vremenu. Zatim, za izračunavanje brzine otkucaja srca, 60 se dijeli s vremenskom razlikom. Numerički indikator, koji je prikazan pored izlaznog grafikona, prikazuje puls u otkucajima u minuti (bpm) ulaznog signala. Nakon što se program postavi, sve bi trebalo staviti u kontinuiranu while petlju. Različiti ulazi za frekvenciju daju različite vrijednosti bpm.

Korak 7: Prikupite podatke EKG -a

Sada možete unijeti simulirani EKG signal u svoj krug i snimiti podatke u svoj program LabVIEW! Promijenite frekvenciju i amplitudu simuliranog EKG -a da vidite kako to utječe na vaše snimljene podatke. Kako mijenjate frekvenciju, trebali biste vidjeti promjenu izračunatog otkucaja srca. Uspješno ste dizajnirali EKG i monitor otkucaja srca!

Korak 8: Dalja poboljšanja

Konstruirani uređaj dobro će funkcionirati za prikupljanje simuliranih EKG signala. Međutim, ako želite snimati biološke signale (svakako se pridržavajte odgovarajućih sigurnosnih mjera), potrebno je izvršiti daljnje izmjene u krugovima radi poboljšanja očitanja signala. Treba dodati visokopropusni filter za uklanjanje artefakata pomaka istosmjernog toka i niskofrekventnog kretanja. Dobit instrumentacijskog pojačala također bi trebalo smanjiti za deset puta kako bi ostao unutar korisnog raspona za LabVIEW i op pojačala.

Izvori

[1] S. Meek i F. Morris, „Uvod. II-osnovna terminologija.”, BMJ, god. 324, br. 7335, str. 470–3, februar 2002.

[2] Chia-Hung Lin, Značajke frekvencijskog područja za EKG pobijeđuju diskriminaciju pomoću sivog klasifikatora zasnovanog na relacijskim analizama, U računarima i matematici s aplikacijama, svezak 55, izdanje 4, 2008, stranice 680-690, ISSN 0898-1221, [3] “Filter drugog reda | Dizajn niskopropusnih filtera drugog reda.” Osnovni vodiči za elektroniku, 9. septembra 2016., www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…