Bioelektrinių signalų įrašymas: EKG ir širdies ritmo monitorius: 7 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 grandinėje ir grandinės ir prietaiso jungtyse naudojami tinkami izoliacijos būdai.

Elektrokardiograma (EKG) yra bandymas, kurio metu tam tikru būdu ant objekto uždedami paviršiaus elektrodai, skirti aptikti ir išmatuoti tiriamojo širdies elektrinį aktyvumą [1]. EKG gali būti naudojama įvairiais būdais ir gali padėti diagnozuoti širdies ligas, atlikti testus nepalankiausiomis sąlygomis ir stebėti operacijos metu. EKG taip pat gali aptikti širdies plakimo pokyčius, aritmijas, širdies smūgį ir daugelį kitų patirčių bei ligų [1], taip pat aprašytų aukščiau esančiame problemos pareiškime. Širdies signalas, išmatuotas EKG, sukuria tris skirtingas bangos formas, vaizduojančias veikiančios širdies tiesioginį maitinimą. Jie parodyti aukščiau esančiame paveikslėlyje.

Šio projekto tikslas yra sukurti įrenginį, galintį gauti EKG signalą iš išvesties generatoriaus ar žmogaus ir atkurti signalą, pašalinant triukšmą. Sistemos išvestis taip pat apskaičiuos BPM.

Pradėkime!

1 žingsnis: surinkite visas medžiagas

Norėdami sukurti šią EKG, sukursime sistemą, kurią sudarys dvi pagrindinės dalys: grandinė ir „LabVIEW“sistema. Grandinės tikslas yra įsitikinti, kad gauname norimą signalą. Yra daug aplinkos triukšmo, kuris gali užgniaužti mūsų EKG signalą, todėl turime sustiprinti savo signalą ir filtruoti bet kokį triukšmą. Po to, kai signalas filtruojamas ir sustiprinamas per grandinę, galime išsiųsti patobulintą signalą į „LabVIEW“programą, kuri parodys bangos formą ir apskaičiuos BPM. Šiam projektui reikalingos šios medžiagos:

-Rezistorius, kondensatorius ir operacinis stiprintuvas (buvo naudojami stiprintuvai -UA741) elektros komponentai

-Boldedless duonos lentos statybai ir bandymams

-nuolatinės srovės maitinimo šaltinis, skirtas maitinti op-amperus

-Funkcijų generatorius, skirtas tiekti bioelektrinį signalą

-Osciloskopas, skirtas įvesties signalui peržiūrėti

-DAQ plokštė, skirta konvertuoti signalą iš analoginio į skaitmeninį

-LabVIEW programinė įranga, skirta išvesties signalui stebėti

-BNC ir kintamo galo laidai

2 žingsnis: grandinės projektavimas

Kaip ką tik aptarėme, būtina tiek filtruoti, tiek sustiprinti savo signalą. Norėdami tai padaryti, mes galime nustatyti 3 skirtingus mūsų grandinės etapus. Pirma, mes turime sustiprinti savo signalą. Tai galima padaryti naudojant instrumentinį stiprintuvą. Tokiu būdu mūsų įvesties signalas gali būti daug geriau matomas galutiniame produkte. Tada su šiuo prietaisų stiprintuvu turime nuosekliai turėti išpjovos filtrą. Įpjovos filtras bus naudojamas mūsų energijos šaltinio triukšmui pašalinti. Po to galime turėti žemo dažnio filtrą. Kadangi EKG rodmenys paprastai yra žemo dažnio, norime išjungti visus dažnius, kurių dažnis yra už mūsų EKG skaitymo ribų, todėl naudojame žemo dažnio filtrą. Šie etapai išsamiau paaiškinami tolesniuose žingsniuose.

Jei kyla problemų dėl grandinės, geriausia modeliuoti grandinę internetinėje programoje. Tokiu būdu galite patikrinti, ar jūsų rezistorių ir kondensatorių verčių skaičiavimai yra teisingi.

3 žingsnis: prietaisų stiprintuvo projektavimas

Norint efektyviau stebėti bioelektrinį signalą, reikia jį sustiprinti. Šiam projektui pasiekti galima pasiekti 1000 V/V. Norint pasiekti nurodytą stiprinimą iš prietaisų stiprintuvo, grandinės varžos vertės buvo apskaičiuotos pagal šias lygtis:

(1 etapas) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(2 etapas) K2 = -R4 / R3

Kai kiekvienas etapas padauginamas, kad būtų apskaičiuotas bendras pelnas. Norint sukurti 1000 V/V stiprinimą, pasirinktos rezistorių vertės yra R1 = 10 kOhm, R2 = 150 kOhm, R3 = 10 kOhm ir R4 = 330 kOhm. Naudokite nuolatinės srovės maitinimo šaltinį, kad įtampos diapazonas būtų +/- 15 V (išlaikant žemą srovės ribą), kad maitintumėte fizinės grandinės op-amperus. Jei norite patikrinti tikras rezistorių vertes arba norite pasiekti šį padidėjimą prieš statydami, galite imituoti grandinę naudodami tokią programą kaip „PSpice“ar „CircuitLab“internete arba naudoti osciloskopą su nurodyta įvesties signalo įtampa ir patikrinti, ar tiesa pelnas pastačius fizinį stiprintuvą. Prijunkite funkcijų generatorių ir osciloskopą prie stiprintuvo, kad paleistumėte grandinę.

Aukščiau esančioje nuotraukoje pavaizduota, kaip grandinė atrodo modeliavimo programinėje įrangoje „PSpice“. Norėdami patikrinti, ar jūsų grandinė veikia tinkamai, iš funkcijų generatoriaus, per grandinę ir į osciloskopą tiekite 1 kHz 10 mV sinusinę bangą nuo piko iki smailės. Osciloskopu reikia stebėti 10 V sinusinę bangą nuo smailės iki smailės.

4 žingsnis: suprojektuokite įpjovos filtrą

Konkreti problema, susijusi su šia grandine, yra tai, kad 60 Hz triukšmo signalą gamina JAV maitinimo linijos. Norint pašalinti šį triukšmą, įvesties signalas į grandinę turi būti filtruojamas 60 Hz dažniu, o koks geresnis būdas tai padaryti, nei naudojant išpjovos filtrą!

Įpjovos filtras (aukščiau pavaizduota grandinė) yra tam tikro tipo elektrinis filtras, kuris gali būti naudojamas tam tikram signalo dažniui pašalinti. Norėdami pašalinti 60 Hz signalą, apskaičiavome šias lygtis:

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

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

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Naudojant 8 kokybės koeficientą (Q), kad būtų sukurtas pakankamai tikslus filtras, 0,033 uFarados talpa (C), kad būtų lengviau surinkti, ir centrinis dažnis (w) 2 * pi * 60 Hz. Tai sėkmingai apskaičiavo rezistorių R1 = 5,024 kOhm, R2 = 1,2861 MOhms ir R3 = 5,004 kOhm reikšmes ir sėkmingai sukūrė filtrą 60 Hz dažniui pašalinti iš įvesties bioelektrinio signalo. Jei norite patikrinti filtrą, galite imituoti grandinę naudodami programą, pvz., „PSpice“ar „CircuitLab“internete, arba naudoti osciloskopą su nurodyta įvesties signalo įtampa ir patikrinti, ar pašalintas signalas, sukūręs fizinį stiprintuvą. Prijunkite funkcijų generatorių ir osciloskopą prie stiprintuvo, kad paleistumėte grandinę.

Atliekant kintamosios srovės šlifavimą naudojant šią grandinę dažnių diapazone nuo 1 Hz iki 1 kHz esant 1 V signalo nuo smailės iki smailės, išvesties grafike turėtų būti „įpjovos“tipo funkcija esant 60 Hz dažniui, kuri pašalinama iš įvesties signalą.

5 žingsnis: Žemo pralaidumo filtro projektavimas

Paskutinis grandinės etapas yra žemo dažnio filtras, ypač antros eilės Butterworth žemo dažnio filtras. Tai naudojama mūsų EKG signalui izoliuoti. EKG bangos formos dažniausiai yra nuo 0 iki ~ 100 Hz. Taigi, mes apskaičiuojame savo rezistorių ir kondensatorių vertes, remdamiesi 100 Hz ribiniu dažniu ir 8 kokybės koeficientu, o tai suteiktų mums gana tikslų filtrą.

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

Mūsų apskaičiuotos vertės buvo R1 = 81,723 kOhm, R2 = 120,92 kOHms, C1 = 0,1 mikrofaradas ir C2 = 0,045 mikrofaradas. Įjunkite stiprintuvus, kurių nuolatinė įtampa yra + ir - 15 V. Jei norite patikrinti filtrą, galite imituoti grandinę naudodami programą, pvz., „PSpice“ar „CircuitLab“internete, arba naudoti osciloskopą su nurodyta įvesties signalo įtampa ir patikrinti, ar pašalintas signalas, sukūręs fizinį stiprintuvą. Prijunkite funkcijų generatorių ir osciloskopą prie stiprintuvo, kad paleistumėte grandinę. Esant ribiniam dažniui, turėtumėte matyti -3 dB dydį. Tai rodo, kad jūsų grandinė veikia tinkamai.

6 veiksmas: „LabVIEW“nustatymas

Dabar, kai grandinė sukurta, norime sugebėti interpretuoti savo signalą. Norėdami tai padaryti, galime naudoti „LabVIEW“. DAQ asistentą galima naudoti norint gauti signalą iš grandinės. Atidarę „LabVIEW“, nustatykite grandinę, kaip parodyta aukščiau esančioje diagramoje. DAQ asistentas paims šį įvesties rodmenį iš grandinės ir signalas pereis prie bangos formos grafiko. Tai leis jums pamatyti EKG bangos formą!

Toliau norime apskaičiuoti BPM. Aukščiau pateikta sąranka tai padarys už jus. Programa veikia pirmiausia paėmusi maksimalias gaunamo EKG signalo vertes. Ribinė vertė leidžia aptikti visas naujas vertes, kurios ateina ir pasiekia procentinę mūsų didžiausios vertės dalį (šiuo atveju 90%). Tada šių verčių vietos siunčiamos į indeksavimo masyvą. Kadangi indeksavimas prasideda nuo 0, norime paimti 0 ir 1 taškus ir apskaičiuoti laiko pokytį tarp jų. Tai suteikia mums laiko tarp smūgių. Tada šiuos duomenis ekstrapoliuojame, kad surastume BPM. Tiksliau, tai daroma padauginus iš dt elemento išvestį ir atimties išvestį tarp dviejų indeksavimo masyvo verčių, o tada padalijant iš 60 (kadangi mes konvertuojame į minutes).

7 žingsnis: prijunkite viską ir išbandykite

Prijunkite grandinę prie DAQ plokštės įvesties. Dabar jūsų įvestas signalas pereis per grandinę į DAQ plokštę, o „LabVIEW“programa išves bangos formą ir apskaičiuotą BPM.

Sveikinimai!