Digitaalne EKG ja pulsikell: 8 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:50

MÄRKUS: See ei ole meditsiiniseade. See on mõeldud ainult hariduslikel eesmärkidel, kasutades simuleeritud signaale. Kui kasutate seda vooluringi tegelikes EKG mõõtmistes, veenduge, et vooluahel ja vooluahela-seadme ühendused kasutavad akut ja muid sobivaid eraldusmeetodeid

Elektrokardiogramm (EKG) salvestab südametsükli ajal elektrilisi signaale. Iga kord, kui süda lööb, toimub müokardi rakkude depolarisatsiooni ja hüperpolarisatsiooni tsükkel. Depolarisatsiooni ja hüperpolarisatsiooni saab registreerida elektroodide abil ja arstid loevad seda teavet, et saada rohkem teavet südame toimimise kohta. EKG abil saab määrata müokardiinfarkti, kodade või vatsakeste virvenduse, tahhükardia ja bradükardia [1]. Pärast EKG -st probleemi tuvastamist saavad arstid patsiendi edukalt diagnoosida ja ravida. Järgige allolevaid samme, et õppida, kuidas ise elektrokardiogrammi salvestusseadet teha!

Samm: materjalid

Vooluahela komponendid:

• Viis UA741 operatsioonivõimendit
• Takistid
• Kondensaatorid
• Jumper juhtmed
• DAQ -plaat
• LabVIEW tarkvara

Katseseadmed:

• Funktsiooni generaator
• Alalisvoolu toide
• Ostsilloskoop
• BNC kaablid ja T-splitter
• Jumper kaablid
• Alligaatori klambrid
• Banaanipistikud

2. samm: mõõteriistade võimendi

Vooluahela esimene etapp on mõõteriistade võimendi. See võimendab bioloogilist signaali, nii et EKG erinevaid komponente saab eristada.

Mõõteseadme võimendi lülitusskeem on näidatud ülal. Selle vooluahela esimese astme võimendus on määratletud kui K1 = 1 + 2*R2 / R1. Ahela teise astme võimendus on määratletud kui K2 = R4 / R3. Instrumentvõimendi üldine võimendus on K1 * K2. Selle projekti soovitud võimendus oli ligikaudu 1000, seega valiti K1 väärtuseks 31 ja K2 väärtuseks 33. Nende võimenduste takisti väärtused on näidatud ülal skeemil. Võite kasutada ülal näidatud takistite väärtusi või muuta neid soovitud võimenduse saavutamiseks. **

Kui olete oma komponentide väärtused valinud, saab vooluringi konstrueerida leivaplaadile. Leivaplaadi vooluahela ühenduste lihtsustamiseks seati ülaosas olev negatiivne horisontaalne rööp maapinnale, samal ajal kui kaks all asuvat horisontaalset rööpa olid vastavalt +/- 15 V.

Esimene op -võimendi paigutati leivalaua vasakule küljele, et jätta ruumi kõikidele ülejäänud komponentidele. Manused lisati tihvtide kronoloogilises järjekorras. Nii on lihtsam jälgida, millised tükid on lisatud või mitte. Kui kõik tihvtid on op -võimendi 1 jaoks valmis, saab järgmise op -võimendi paigutada. Jällegi veenduge, et see oleks ruumi lähedal suhteliselt lähedal. Sama kronoloogiline tihvtprotsess viidi lõpule kõigi op -võimendite jaoks, kuni mõõteriistade võimendi oli valmis.

Seejärel lisati skeemile lisaks möödavoolukondensaatorid, et vabaneda juhtmete vahelduvvooluühendusest. Need kondensaatorid pandi paralleelselt alalisvooluvõrguga ja maandati ülemisele horisontaalsele negatiivsele rööpale. Need kondensaatorid peaksid olema vahemikus 0,1 kuni 1 mikroFarad. Igal op -võimendil on kaks möödavoolukondensaatorit, üks tihvti 4 jaoks ja teine tihvti 7. Mõlema op -võimendi kahe kondensaatori väärtus peab olema sama, kuid see võib erinevates op -võimendites erineda.

Võimendi testimiseks ühendati võimendi sisend ja väljund vastavalt funktsioonigeneraatoriga ja ostsilloskoobiga. Ostsilloskoobiga ühendati ka sisendsignaal. Võimenduse määramiseks kasutati lihtsat siinuslainet. Sisestage funktsioonigeneraatori väljund mõõteriistade võimendi kahte sisendklemmi. Seadke ostsilloskoop mõõtma väljundsignaali ja sisendsignaali suhet. Ahela võimendus detsibellides on Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). Kui võimendus on 1000, on võimendus detsibellides 60 dB. Ostsilloskoopi kasutades saate kindlaks teha, kas teie konstrueeritud vooluahela võimendus vastab teie spetsifikatsioonidele või peate oma vooluahela parandamiseks muutma mõnda takisti väärtust.

Kui mõõteriistade võimendi on õigesti kokku pandud ja töötab, võite liikuda sälgufiltri juurde.

** Ülaltoodud skeemil on R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

3. samm: sälgufilter

Sälkfiltri eesmärk on eemaldada müra 60 Hz seina toiteallikast. Sälkfilter nõrgendab signaali katkestussagedusel ja edastab sagedusi selle kohal ja all. Selle vooluahela jaoks on soovitud piirisagedus 60 Hz.

Ülaltoodud skeemi juhtiv võrrand on R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) ja R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), kus Q on kvaliteeditegur ja w on 2 * pi * (katkestussagedus). Kvaliteeditegur 8 annab takistite ja kondensaatorite väärtused mõistlikus vahemikus. Eeldatakse, et kondensaatori väärtused on kõik ühesugused. Seega saate valida oma komplektides saadaoleva kondensaatori väärtuse. Ülaltoodud vooluahelas näidatud takisti väärtused on 60 Hz piirsageduse, kvaliteediteguri 8 ja kondensaatori väärtuse 0,22 uF jaoks.

Kuna kondensaatorid lisanduvad paralleelselt, paigutati kaks valitud väärtusega C kondensaatorit paralleelselt, et saavutada väärtus 2C. Samuti lisati op -võimendisse möödavoolukondensaatorid.

Sälkfiltri testimiseks ühendage funktsioonigeneraatori väljund sälkfiltri sisendiga. Jälgige ostsilloskoobi ahela sisendit ja väljundit. Efektiivse sälgufiltri saamiseks peaks võimendus olema väljundsagedusel alla -20 dB. Kuna komponendid pole ideaalsed, võib seda olla raske saavutada. Arvutatud takisti ja kondensaatori väärtused ei pruugi teile soovitud võimendust anda. Selleks peate muutma takisti ja kondensaatori väärtusi.

Selleks keskenduge ühele komponendile korraga. Suurendage ja vähendage ühe komponendi väärtust ilma teisi komponente muutmata. Jälgige selle mõju vooluahela võimendusele. Soovitud kasu saavutamiseks võib see nõuda palju kannatlikkust. Pidage meeles, et takistite väärtuste suurendamiseks või vähendamiseks võite järjestikku lisada takistid. Muutus, mis parandas meie võimendust kõige rohkem, oli ühe kondensaatori suurendamine 0,33 uF -ni.

Samm: madalpääsfilter

Madalpääsfilter eemaldab kõrgema sagedusega müra, mis võib häirida EKG signaali. EKG lainekuju teabe jäädvustamiseks piisab 40 Hz madalpääsulülitusest. Kuid mõned EKG komponendid ületavad 40 Hz. Võib kasutada ka 100 Hz või 150 Hz katkestust [2].

Ehitatud madalpääsfilter on teise järgu Butterworthi filter. Kuna meie vooluahela võimenduse määrab mõõteriistade võimendi, soovime madalpääsfiltri võimendust riba piires 1. Võimsuse 1 suurendamiseks on RA lühises ja RB avatud vooluahelas ülaltoodud skeemil [3]. Vooluahelas C1 = 10 / (fc) uF, kus fc on katkestussagedus. C1 peaks olema väiksem või võrdne C2 * a^2 / (4 * b). Teise järjekorra Butterworthi filtri puhul a = sqrt (2) ja b = 1. Ühendades a ja b väärtused, lihtsustab C2 võrrand C1 / 2 -ni või on sellega võrdne. Siis R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a^2 * C2^2 - 4 * b * C1 * C2)] ja R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), kus w = 2 * pi * fc. Selle vooluahela arvutused viidi lõpule, et tagada piirväärtus 40 Hz. Nendele spetsifikatsioonidele vastavad takisti ja kondensaatori väärtused on näidatud ülaltoodud skeemil.

Operatsioonivõimendi paigutati leivaplaadi paremale küljele, kuna pärast seda ei lisata muid komponente. Vooluahela lõpuleviimiseks lisati op -võimendile takistid ja kondensaatorid. Operatsioonivõimendile lisati ka möödavoolukondensaatorid. Sisendterminal jäeti tühjaks, kuna sisend pärineb sälgufiltri väljundsignaalist. Katsetamise eesmärgil paigutati aga sisendtihvti külge traat, et oleks võimalik isoleerida madalpääsfiltrit ja seda individuaalselt testida.

Funktsioonigeneraatori siinuslainet kasutati sisendsignaalina ja seda vaadeldi erinevatel sagedustel. Jälgige ostsilloskoobi sisend- ja väljundsignaale ning määrake vooluahela võimendus erinevatel sagedustel. Madalpääsfiltri puhul peaks võimendus väljalülitamissagedusel olema -3 dB. Selle vooluahela puhul peaks katkestus toimuma sagedusel 40 Hz. Sagedustel alla 40 Hz ei tohiks nende lainekuju nõrgeneda või üldse mitte, kuid kui sagedus tõuseb üle 40 Hz, peaks võimendus jätkuma.

5. etapp: ahela etappide kokkupanek

Kui olete konstrueerinud vooluahela iga etapi ja katsetanud neid iseseisvalt, saate need kõik ühendada. Seadmevõimendi väljund tuleks ühendada sälgufiltri sisendiga. Sälkfiltri väljund tuleb ühendada madalpääsfiltri sisendiga.

Vooluahela testimiseks ühendage funktsioonigeneraatori sisend mõõteriistade võimendi astme sisendiga. Jälgige ostsilloskoobi ahela sisendit ja väljundit. Saate testida funktsioonigeneraatori eelprogrammeeritud EKG lainega või siinuslainega ja jälgida oma vooluahela mõjusid. Ülaltoodud ostsilloskoobi pildil on kollane kõver sisendlainekuju ja roheline kõver väljund.

Kui olete ühendanud kõik oma vooluahela etapid ja näidanud, et see töötab korralikult, saate ühendada oma vooluahela väljundi DAQ -plaadiga ja alustada programmeerimist LabVIEW -is.

6. samm: LabVIEW programm

LabVIEW -kood on tuvastada lööke meetri kohta simuleeritud EKG laine põhjal erinevatel sagedustel. LabVIEW -is programmeerimiseks peate esmalt tuvastama kõik komponendid. Analoog -digitaalmuundur, tuntud ka kui andmete kogumise (DAQ) plaat, tuleb seadistada ja seada pidevaks töötamiseks. Vooluahela väljundsignaal on ühendatud DAQ -plaadi sisendiga. Lainevormi graafik programmis LabVIEW on ühendatud otse DAQ assistendi väljundiga. DAQ andmete väljund läheb ka max/min identifikaatorisse. Seejärel läbib signaal korrutamise aritmeetikaoperaatori. Läviväärtuse arvutamiseks kasutatakse arvnäitajat 0,8. Kui signaal ületab 0,8*maksimum, tuvastatakse tipp. Iga kord, kui see väärtus leiti, salvestati see indeksimassiivi. Kaks andmepunkti salvestatakse indeksimassiivi ja sisestatakse lahutamisaritmeetika operaatorisse. Nende kahe väärtuse vahel leiti aja muutus. Seejärel jagatakse pulsi arvutamiseks 60 ajavahega. Väljundgraafiku kõrval olev numbriline indikaator väljastab sisendsignaali pulsisageduse löökidena minutis (lööki minutis). Kui programm on häälestatud, tuleks see kõik panna pidevasse ahelasse. Erinevad sagedussisendid annavad erinevaid löögi minutis väärtusi.

Samm 7: EKG andmete kogumine

Nüüd saate oma ahelasse sisestada simuleeritud EKG signaali ja salvestada andmed oma LabVIEW programmi! Muutke simuleeritud EKG sagedust ja amplituudi, et näha, kuidas see mõjutab teie salvestatud andmeid. Sageduse muutmisel peaksite nägema muutust arvutatud pulsis. Olete edukalt kujundanud EKG ja pulsikella!

8. samm: täiendavad täiustused

Konstrueeritud seade töötab hästi simuleeritud EKG signaalide saamiseks. Kui soovite aga bioloogilisi signaale salvestada (järgige kindlasti asjakohaseid ettevaatusabinõusid), tuleks signaalide lugemise parandamiseks ahelaid täiendavalt muuta. Alalisvoolu nihke ja madala sagedusega liikumise artefaktide eemaldamiseks tuleks lisada kõrgpääsfilter. Mõõteseadmete võimendi võimendust tuleks samuti kümnekordistada, et jääda LabVIEW -i ja op -võimendite kasutatavasse vahemikku.

Allikad

[1] S. Meek ja F. Morris, „Sissejuhatus. II-põhiterminoloogia.”, BMJ, kd. 324, ei. 7335, lk 470–3, veebruar 2002.

[2] Chia-Hung Lin, Sageduspiirkonna funktsioonid EKG löömise diskrimineerimiseks, kasutades halli relatsioonianalüüsil põhinevat klassifikaatorit, In Computers & Mathematics with Applications, Volume 55, Issue 4, 2008, Pages 680-690, ISSN 0898-1221, [3] „Teise järgu filter | Teise järgu madalpääsfiltri disain.” Elektroonika põhijuhendid, 9. september 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…