Sadržaj:
2025 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2025-01-13 06:57
OBAVIJEST: Ovo nije medicinski uređaj. Ovo je samo u obrazovne svrhe korištenjem simuliranih signala. Ako koristite ovaj krug za stvarna mjerenja EKG-a, provjerite koriste li se strujni krug i veze kola s instrumentom odgovarajuće tehnike izolacije.
Elektrokardiogram (EKG) je test u kojem se površinske elektrode postavljaju na subjekt na određeni način radi otkrivanja i mjerenja električne aktivnosti srca subjekta [1]. EKG ima mnogo upotreba i može funkcionirati kao pomoć pri dijagnosticiranju srčanih oboljenja, testovima stresa i opservaciji tijekom operacije. EKG također može otkriti promjene u otkucajima srca, aritmije, srčani udar i mnoga druga iskustva i bolesti [1] također opisane u gornjoj izjavi o problemu. Srčani signal izmjeren EKG -om proizvodi tri različita valna oblika koji prikazuju živo napajanje funkcionalnog srca. Oni su prikazani na gornjoj slici.
Cilj ovog projekta je stvoriti uređaj koji može dobiti EKG signal iz izlaznog generatora ili čovjeka i reproducirati signal uz uklanjanje šuma. Izlaz sistema će također izračunati BPM.
Hajde da počnemo!
Korak 1: Prikupite sve materijale
Da bismo stvorili ovaj EKG, kreirat ćemo sistem koji se sastoji od dva glavna dijela, kola i LabVIEW sistema. Svrha kola je provjeriti dobivamo li signal koji želimo. Postoji mnogo ambijentalne buke koja može ugušiti naš EKG signal, pa moramo pojačati naš signal, kao i filtrirati bilo koji šum. Nakon što je signal filtriran i pojačan kroz kolo, možemo poslati poboljšani signal u program LabVIEW koji će prikazati valni oblik, kao i izračunati BPM. Za ovaj projekt potrebni su sljedeći materijali:
-Otpornik, kondenzator i operativno pojačalo (korištena su op -pojačala -UA741) električne komponente
-Osnova bez lemljenja za izgradnju i testiranje
-DC napajanje za napajanje op-pojačala
-Funkcijski generator za opskrbu bioelektričnim signalom
-Osciloskop za pregled ulaznog signala
-DAQ ploča za pretvaranje signala iz analognog u digitalni
-LabVIEW softver za posmatranje izlaznog signala
-BNC i kablovi sa promenljivim krajevima
Korak 2: Projektovanje kola
Kao što smo upravo raspravljali, potrebno je i filtrirati i pojačati naš signal. Da bismo to učinili, možemo postaviti 3 različite faze našeg kola. Prvo moramo pojačati signal. To se može učiniti korištenjem instrumentacijskog pojačala. Na ovaj način, naš ulazni signal se može puno bolje vidjeti u konačnom proizvodu. Zatim moramo imati serijski urezani filter s ovim instrumentacijskim pojačalom. Urezani filter će se koristiti za uklanjanje buke iz našeg izvora energije. Nakon toga možemo imati niskopropusni filter. Budući da su očitanja EKG -a obično niske frekvencije, želimo odrezati sve frekvencije koje su na frekvenciji koja je izvan naših granica čitanja EKG -a, pa koristimo niskopropusni filter. Ove faze su detaljnije objašnjene u sljedećim koracima.
Ako imate problema sa strujnim krugom, najbolje je simulirati njegovo kolo u mrežnom programu. Na ovaj način možete provjeriti jesu li vaši proračuni vrijednosti otpornika i kondenzatora točni.
Korak 3: Dizajniranje instrumentalnog pojačala
Za učinkovitije promatranje bioelektričnog signala potrebno ga je pojačati. Za ovaj projekt, ukupni dobitak je 1000 V/V. Da bi se postiglo specificirano pojačanje od instrumentacijskog pojačala, vrijednosti otpora za kolo izračunate su sljedećim jednadžbama:
(1. faza) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)
(2. faza) K2 = -R4 / R3
Gdje se svaka od faza množi za izračunavanje ukupnog dobitka. Vrijednosti otpornika odabrane za stvaranje pojačanja od 1000 V/V su R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms i R4 = 330 kOhms. Pomoću istosmjernog napajanja dajte raspon napona od +/- 15 V (držeći ograničenje struje niskim) za napajanje op-pojačala fizičkog kruga. Ako želite provjeriti prave vrijednosti otpornika ili želite postići ovaj dobitak prije izgradnje, možete simulirati krug pomoću programa poput PSpice ili CircuitLab na mreži, ili upotrijebiti osciloskop s datim naponom ulaznog signala i provjeriti istinitost dobitak nakon izgradnje fizičkog pojačala. Spojite generator funkcija i osciloskop na pojačalo da biste pokrenuli krug.
Gornja fotografija prikazuje kako krug izgleda u simulacijskom softveru PSpice. Da biste provjerili radi li vaše kolo ispravno, opskrbite sinusni val od 1 kHz 10 mV od vrha do vrha od generatora funkcija, kroz kolo i do osciloskopa. Na osciloskopu treba promatrati sinusni val od 10 V od vrha do vrha.
Korak 4: Dizajniranje Notch filtera
Poseban problem kada se radi o ovom krugu je činjenica da signal šuma od 60 Hz proizvode linije napajanja u Sjedinjenim Državama. Da bi se uklonio ovaj šum, ulazni signal u krug mora biti filtriran na 60 Hz, a koji je bolji način da to učinite nego sa urezanim filterom!
Urezani filter (krug prikazan gore) je određena vrsta električnog filtera koji se može koristiti za uklanjanje određene frekvencije iz signala. Da bismo uklonili signal od 60 Hz, izračunali smo sljedeće jednadžbe:
R1 = 1 / (2 * Q * w * C)
R2 = (2 * Q) / (w * C)
R3 = (R1 * R2) / (R1 + R2)
Q = w / B
B = w2 - w1
Koristeći faktor kvalitete (Q) 8 za dizajn pristojno preciznog filtera, kapacitet (C) od 0,033 uFarada za lakše sastavljanje i središnju frekvenciju (w) 2 * pi * 60 Hz. Ovo je uspješno izračunalo vrijednosti za otpornike R1 = 5.024 kOhms, R2 = 1.2861 MOhms i R3 = 5.004 kOhms, i uspješno je kreiralo filter za uklanjanje frekvencije od 60 Hz iz ulaznog bioelektričnog signala. Ako želite provjeriti filtar, možete simulirati krug pomoću programa poput PSpice ili CircuitLab na mreži ili upotrijebiti osciloskop s datim naponom ulaznog signala i provjeriti uklonjeni signal nakon izgradnje fizičkog pojačala. Spojite generator funkcija i osciloskop na pojačalo da biste pokrenuli krug.
Izvođenje izmjene naizmjenične struje s ovim krugom u rasponu frekvencija od 1 Hz do 1 kHz pri signalu od vrha do vrha od 1 V trebalo bi dati značajku tipa "zarez" na 60 Hz u izlaznom grafikonu, koja se uklanja s ulaza signal.
Korak 5: Dizajniranje niskopropusnog filtera
Završna faza kola je niskopropusni filter, posebno niskopropusni filter drugog reda Butterworth. Ovo se koristi za izolaciju našeg EKG signala. EKG talasni oblici su obično unutar frekvencijskih granica od 0 do ~ 100 Hz. Dakle, naše vrijednosti otpornika i kondenzatora izračunavamo na temelju granične frekvencije 100 Hz i faktora kvalitete 8, što bi nam dalo relativno precizan filter.
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
Vrijednosti koje smo izračunali na kraju su bile R1 = 81.723kOhms, R2 = 120.92kOHms, C1 = 0.1 mikroFarads i C2 = 0.045 mikroFarads. Napajajte op -pojačala s istosmjernim naponom od + i - 15V. Ako želite provjeriti filtar, možete simulirati krug pomoću programa poput PSpice ili CircuitLab na mreži, ili upotrijebiti osciloskop s datim naponom ulaznog signala i provjeriti uklonjeni signal nakon izgradnje fizičkog pojačala. Spojite generator funkcija i osciloskop na pojačalo da biste pokrenuli krug. Na graničnoj frekvenciji trebali biste vidjeti magnitudu od -3 dB. To znači da vaš krug radi ispravno.
Korak 6: Postavljanje LabVIEW -a
Sada kada je kolo stvoreno, želimo biti u mogućnosti protumačiti naš signal. Da bismo to učinili, možemo koristiti LabVIEW. DAQ pomoćnik može se koristiti za prikupljanje signala iz kruga. Nakon otvaranja LabVIEW -a, postavite krug kao što je prikazano na gornjoj shemi. DAQ pomoćnik će uzeti ovo očitavanje ulaza iz kruga i signal će otići na grafikon valnog oblika. Ovo će vam omogućiti da vidite EKG talasni oblik!
Zatim želimo izračunati BPM. Gore navedene postavke će to učiniti umjesto vas. Program funkcionira tako što prvo uzima maksimalne vrijednosti dolaznog EKG signala. Vrijednost praga omogućuje nam otkrivanje svih novih vrijednosti koje dolaze i koje dostižu postotak naše maksimalne vrijednosti (u ovom slučaju 90%). Lokacije ovih vrijednosti se zatim šalju u indeksni niz. Budući da indeksiranje počinje na 0, želimo uzeti 0 i 1 točku i izračunati promjenu vremena između njih. To nam daje vrijeme između otkucaja. Zatim ekstrapoliramo te podatke kako bismo pronašli BPM. Konkretno, to se radi množenjem izlaza iz dt elementa i izlaza oduzimanja između dvije vrijednosti u nizovima indeksiranja, a zatim se dijeli sa 60 (budući da pretvaramo u minute).
Korak 7: Sve to povežite i isprobajte
Spojite krug na ulaz DAQ ploče. Sada će signal koji unesete proći kroz kolo do DAQ ploče, a program LabVIEW će emitirati valni oblik i izračunati BPM.
Čestitam!