Skaitmeninis EKG ir širdies ritmo monitorius: 8 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:49

PASTABA: Tai nėra medicinos prietaisas. Tai tik švietimo tikslais, naudojant imituotus signalus. Jei naudojate šią grandinę tikriems EKG matavimams, įsitikinkite, kad grandinė ir grandinės-prietaiso jungtys naudoja akumuliatoriaus energiją ir kitus tinkamus izoliacijos metodus

Elektrokardiograma (EKG) registruoja elektrinius signalus širdies ciklo metu. Kiekvieną kartą, kai plaka širdis, vyksta miokardo ląstelių depoliarizacijos ir hiperpoliarizacijos ciklas. Depolarizaciją ir hiperpoliarizaciją galima užfiksuoti elektrodais, o gydytojai perskaito šią informaciją, norėdami sužinoti daugiau apie tai, kaip veikia širdis. EKG galima nustatyti miokardo infarktą, prieširdžių ar skilvelių virpėjimą, tachikardiją ir bradikardiją [1]. Iš EKG nustatę, kokia yra problema, gydytojai gali sėkmingai diagnozuoti ir gydyti pacientą. Atlikite toliau nurodytus veiksmus, kad sužinotumėte, kaip pasidaryti savo elektrokardiogramos įrašymo įrenginį!

1 žingsnis: medžiagos

Grandinės komponentai:

• Penki UA741 operaciniai stiprintuvai
• Rezistoriai
• Kondensatoriai
• Jumperio laidai
• DAQ lenta
• „LabVIEW“programinė įranga

Bandymo įranga:

• Funkcijų generatorius
• DC maitinimo šaltinis
• Osciloskopas
• BNC kabeliai ir T-skirstytuvas
• Trumpieji kabeliai
• Aligatoriaus spaustukai
• Bananų kištukai

2 žingsnis: instrumentų stiprintuvas

Pirmasis grandinės etapas yra prietaisų stiprintuvas. Tai sustiprina biologinį signalą, kad būtų galima atskirti skirtingus EKG komponentus.

Prietaisų stiprintuvo schema parodyta aukščiau. Šios grandinės pirmosios pakopos stiprinimas apibrėžiamas kaip K1 = 1 + 2*R2 / R1. Antrasis grandinės stiprinimas yra apibrėžiamas kaip K2 = R4 / R3. Bendras prietaisų stiprintuvo padidėjimas yra K1 * K2. Norimas šio projekto pelnas buvo maždaug 1000, todėl K1 buvo pasirinktas 31, o K2 - 33. Šių padidėjimų rezistorių vertės pateiktos aukščiau esančioje schemoje. Galite naudoti aukščiau pateiktas rezistoriaus vertes arba pakeisti vertes, kad jos atitiktų jūsų norimą stiprumą. **

Pasirinkę komponentų vertes, grandinę galima sukonstruoti ant duonos lentos. Siekiant supaprastinti grandinės jungtis ant duonos lentos, neigiamas horizontalus bėgis viršuje buvo nustatytas kaip gruntas, o du horizontalūs bėgiai apačioje buvo atitinkamai +/- 15 V.

Pirmasis stiprintuvas buvo dedamas kairėje duonos lentos pusėje, kad liktų vietos visiems likusiems komponentams. Priedai buvo pridėti chronologine kaiščių tvarka. Tai leidžia lengviau sekti, kokios dalys buvo pridėtos ar ne. Kai visi 1 stiprintuvo kaiščiai bus baigti, kitą op stiprintuvą galima įdėti. Dar kartą įsitikinkite, kad jis yra gana arti, kad liktų vietos. Tas pats chronologinis kaiščio procesas buvo baigtas visiems operaciniams stiprintuvams, kol buvo baigtas prietaisų stiprintuvas.

Tada prie grandinės schemos buvo pridėti aplinkkelio kondensatoriai, kad būtų pašalinta kintamosios srovės jungtis laiduose. Šie kondensatoriai buvo pastatyti lygiagrečiai su nuolatinės srovės įtampa ir įžeminti ant viršutinio horizontalaus neigiamo bėgio. Šie kondensatoriai turi būti nuo 0,1 iki 1 mikroFarad. Kiekvienas operacinis stiprintuvas turi du aplinkkelio kondensatorius, vieną - 4 kaiščiui, o kitą - 7 kaiščiui. Du kiekvieno stiprintuvo kondensatoriai turi būti vienodos vertės, tačiau gali skirtis nuo skirtingų stiprintuvų.

Norėdami patikrinti stiprinimą, funkcijų generatorius ir osciloskopas buvo prijungti prie stiprintuvo įvesties ir išvesties. Įvesties signalas taip pat buvo prijungtas prie osciloskopo. Stiprinimui nustatyti buvo naudojama paprasta sinusinė banga. Įveskite funkcijų generatoriaus išvestį į du prietaisų stiprintuvo įvesties gnybtus. Nustatykite osciloskopą, kad išmatuotumėte išėjimo signalo ir įvesties signalo santykį. Grandinės stiprinimas decibelais yra Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). Jei padidėjimas yra 1000, padidėjimas decibelais yra 60 dB. Naudodami osciloskopą, galite nustatyti, ar jūsų sukurtos grandinės padidėjimas atitinka jūsų specifikacijas, ar norint pakeisti grandinę reikia pakeisti kai kurias rezistorių reikšmes.

Kai prietaisų stiprintuvas bus tinkamai surinktas ir veiks, galėsite pereiti prie įpjovos filtro.

** Aukščiau esančioje schemoje R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

3 žingsnis: įpjovos filtras

Įpjovos filtro paskirtis yra pašalinti triukšmą iš 60 Hz sieninio maitinimo šaltinio. Įpjovos filtras slopina signalą ribiniu dažniu ir perduoda dažnius virš ir žemiau. Šiai grandinei norimas išjungimo dažnis yra 60 Hz.

Aukščiau pateiktos grandinės schemos pagrindinės lygtys yra R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) ir R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), kur Q yra kokybės veiksnys, o w yra 2 * pi * (ribinis dažnis). Kokybės koeficientas 8 suteikia rezistorių ir kondensatorių reikšmes pagrįstame diapazone. Galima manyti, kad kondensatoriaus vertės yra vienodos. Taigi, jūs galite pasirinkti kondensatoriaus vertę, kurią rasite savo rinkiniuose. Aukščiau pateiktoje grandinėje pateiktos rezistoriaus vertės yra 60 Hz išjungimo dažniui, 8 kokybės koeficientui ir 0,22 uF kondensatoriaus vertei.

Kadangi kondensatoriai pridedami lygiagrečiai, du pasirinktos C kondensatoriai buvo dedami lygiagrečiai, kad būtų pasiekta 2C vertė. Be to, prie stiprintuvo buvo pridėti apėjimo kondensatoriai.

Norėdami patikrinti įpjovos filtrą, prijunkite funkcijų generatoriaus išvestį prie įpjovos filtro įvesties. Stebėkite osciloskopo grandinės įėjimą ir išėjimą. Jei norite turėti efektyvų įpjovos filtrą, padidinimo dažnis turėtų būti mažesnis arba lygus -20 dB. Kadangi komponentai nėra idealūs, tai gali būti sunku pasiekti. Apskaičiuotos rezistoriaus ir kondensatoriaus vertės gali nesuteikti norimo pelno. Tam reikės pakeisti rezistoriaus ir kondensatoriaus vertes.

Norėdami tai padaryti, sutelkite dėmesį į vieną komponentą vienu metu. Padidinkite ir sumažinkite vieno komponento vertę, nekeisdami kitų. Stebėkite, kokį poveikį tai turi grandinės stiprinimui. Norint pasiekti norimą pelną, gali prireikti daug kantrybės. Atminkite, kad galite pridėti serijinius rezistorius, kad padidintumėte arba sumažintumėte rezistorių vertes. Pokytis, kuris labiausiai pagerino mūsų pelną, buvo vieno iš kondensatorių padidinimas iki 0,33 uF.

4 žingsnis: žemo dažnio filtras

Žemo dažnio filtras pašalina didesnio dažnio triukšmą, kuris gali trikdyti EKG signalą. EKG bangos formos informacijai užfiksuoti pakanka žemo dažnio 40 Hz ribos. Tačiau kai kurie EKG komponentai viršija 40 Hz. Taip pat galima naudoti 100 Hz arba 150 Hz ribą [2].

Pastatytas žemo dažnio filtras yra antros eilės Butterworth filtras. Kadangi mūsų grandinės padidėjimą lemia prietaisų stiprintuvas, žemo dažnio filtro juostoje norime 1 padidėjimo. Norint padidinti 1, RA yra trumpasis jungimas, o RB yra atvira grandinė aukščiau esančioje schemoje [3]. Grandinėje C1 = 10 / (fc) uF, kur fc yra ribinis dažnis. C1 turėtų būti mažesnis arba lygus C2 * a^2 / (4 * b). Antros eilės Butterwortho filtro atveju a = sqrt (2) ir b = 1. Prijungus a ir b reikšmes, C2 lygtis supaprastėja iki C1 / 2 arba lygesnė. Tada R1 = 2 / [w * (a * C2 + kv. (a^2 * C2^2 - 4 * b * C1 * C2)] ir R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), kur w = 2 * pi * fc. Šios grandinės skaičiavimai buvo baigti, kad būtų užtikrinta 40 Hz riba. Rezistorių ir kondensatorių vertės, atitinkančios šias specifikacijas, parodytos aukščiau esančioje schemoje.

Operacinis stiprintuvas buvo dedamas dešinėje duonos lentos pusėje, nes po jo nebus pridėta jokių kitų komponentų. Norint užbaigti grandinę, prie stiprintuvo buvo pridėti rezistoriai ir kondensatoriai. Prie operacinio stiprintuvo taip pat buvo pridėti aplinkkelio kondensatoriai. Įvesties gnybtas liko tuščias, nes įvestis bus iš įpjovos filtro išvesties signalo. Tačiau bandymo tikslais prie įvesties kaiščio buvo uždėta viela, kad būtų galima izoliuoti žemo dažnio filtrą ir išbandyti jį atskirai.

Funkcijų generatoriaus sinusinė banga buvo naudojama kaip įvesties signalas ir stebima skirtingais dažniais. Stebėkite osciloskopo įvesties ir išvesties signalus ir nustatykite grandinės stiprumą skirtingais dažniais. Žemo dažnio filtro stiprinimas išjungimo dažniu turėtų būti -3 dB. Šios grandinės išjungimas turėtų įvykti esant 40 Hz dažniui. Dažnių, mažesnių nei 40 Hz, bangų forma turi būti silpna arba visai nesusilpninta, tačiau dažniui didėjant virš 40 Hz, stiprinimas turėtų ir toliau mažėti.

5 žingsnis: grandinės etapų surinkimas

Sukūrę kiekvieną grandinės etapą ir išbandę juos savarankiškai, galite juos visus sujungti. Prietaisų stiprintuvo išvestis turi būti prijungta prie įpjovos filtro įvesties. Įpjovos filtro išėjimas turi būti prijungtas prie žemo dažnio filtro įvesties.

Norėdami patikrinti grandinę, prijunkite funkcijų generatoriaus įvestį prie prietaisų stiprintuvo pakopos įvesties. Stebėkite osciloskopo grandinės įėjimą ir išėjimą. Galite patikrinti naudodami iš anksto užprogramuotą EKG bangą iš funkcijų generatoriaus arba sinusinę bangą ir stebėti savo grandinės poveikį. Aukščiau esančiame osciloskopo vaizde geltona kreivė yra įvesties bangos forma, o žalia kreivė - išėjimas.

Prijungę visus grandinės etapus ir parodę, kad ji veikia tinkamai, galite prijungti savo grandinės išvestį prie DAQ plokštės ir pradėti programuoti „LabVIEW“.

6 žingsnis: „LabVIEW“programa

„LabVIEW“kodas yra aptikti smūgius per metrą iš imituotos EKG bangos skirtingais dažniais. Norėdami programuoti „LabVIEW“, pirmiausia turite identifikuoti visus komponentus. Analoginis skaitmeninis keitiklis, dar žinomas kaip duomenų surinkimo (DAQ) plokštė, turi būti nustatytas ir nustatytas nuolat veikti. Išvesties signalas iš grandinės yra prijungtas prie DAQ plokštės įvesties. Bangų formos grafikas LabVIEW programoje yra tiesiogiai prijungtas prie DAQ asistento išvesties. Išvestis iš DAQ duomenų taip pat patenka į max/min identifikatorių. Tada signalas eina per daugybos aritmetinį operatorių. Ribinei vertei apskaičiuoti naudojamas skaitinis rodiklis 0,8. Kai signalas viršija 0,8*maksimumą, aptinkama smailė. Kai tik ši vertė buvo rasta, ji buvo saugoma indeksų masyve. Du duomenų taškai saugomi indekso masyve ir įvedami į atimties aritmetinį operatorių. Nustatytas laiko pokytis tarp šių dviejų verčių. Tada, norint apskaičiuoti širdies ritmą, 60 padalijamas iš laiko skirtumo. Skaitinis indikatorius, rodomas šalia išvesties grafiko, rodo širdies susitraukimų dažnį įėjimo signalo dūžiais per minutę (bpm). Kai programa bus sukonfigūruota, visa tai turėtų būti įtraukta į nuolatinę ciklo dalį. Skirtingi dažnio įėjimai suteikia skirtingas bpm reikšmes.

7 žingsnis: Surinkite EKG duomenis

Dabar į savo grandinę galite įvesti simuliuotą EKG signalą ir įrašyti duomenis į savo „LabVIEW“programą! Pakeiskite imituoto EKG dažnį ir amplitudę, kad pamatytumėte, kaip tai veikia jūsų įrašytus duomenis. Keisdami dažnį, turėtumėte matyti apskaičiuoto širdies ritmo pasikeitimą. Sėkmingai sukūrėte EKG ir širdies ritmo monitorių!

8 žingsnis: tolesni patobulinimai

Sukurtas prietaisas puikiai tiks imituotiems EKG signalams gauti. Tačiau, jei norite įrašyti biologinius signalus (būtinai laikykitės atitinkamų saugos priemonių), reikia toliau keisti grandines, kad būtų pagerintas signalo nuskaitymas. Norint pašalinti nuolatinės srovės poslinkį ir žemo dažnio judesio artefaktus, reikia pridėti aukšto dažnio filtrą. Prietaisų stiprintuvo stiprinimas taip pat turėtų būti sumažintas dešimt kartų, kad būtų galima naudoti LabVIEW ir operacinių stiprintuvų naudojimo diapazoną.

Šaltiniai

[1] S. Meek ir F. Morris, „Įvadas. II-pagrindinė terminija. “, BMJ, t. 324, Nr. 7335, p. 470–3, 2002 m. Vasario mėn.

[2] Chia-Hung Lin, EKG ritmo diskriminacijos dažnio srities ypatybės, naudojant pilkąja santykių analize pagrįstą klasifikatorių, In Computers & Mathematics with Applications, 55 tomas, 2008 m. 4 numeris, 680-690 puslapiai, ISSN 0898-1221, [3] „Antrosios eilės filtras | Antros eilės žemo dažnio filtro dizainas “. Pagrindinės elektronikos pamokos, 2016 m. Rugsėjo 9 d., Www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…