Bioelektriliste signaalide salvestamine: EKG ja pulsikell: 7 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 õigeid eraldusvõtteid.

Elektrokardiogramm (EKG) on test, mille käigus pinnale elektroodid asetatakse subjektile kindlaksmääratud viisil, et tuvastada ja mõõta subjekti südame elektrilist aktiivsust [1]. EKG -l on palju kasutusvõimalusi ja see võib aidata südamehaiguste diagnoosimisel, stressitestidel ja jälgimisel operatsiooni ajal. EKG abil saab tuvastada ka muutusi südamelöökides, rütmihäireid, infarkti ja paljusid muid kogemusi ja haigusi [1], mida on kirjeldatud ka ülaltoodud probleemilahenduses. EKG -ga mõõdetud südamesignaal tekitab kolm erinevat lainekuju, mis kujutavad töötava südame otsevoogu. Need on näidatud ülaltoodud pildil.

Selle projekti eesmärk on luua seade, mis suudab saada väljundgeneraatorilt või inimeselt EKG signaali ja reprodutseerida signaali, kõrvaldades samal ajal müra. Süsteemi väljund arvutab ka BPM -i.

Alustame!

Samm: koguge kõik materjalid

Selle EKG loomiseks loome süsteemi, mis koosneb kahest põhiosast, vooluringist ja LabVIEW süsteemist. Vooluahela eesmärk on veenduda, et saame soovitud signaali. Seal on palju ümbritsevat müra, mis võib meie EKG signaali ära summutada, seega peame oma signaali võimendama ja müra välja filtreerima. Kui signaal on vooluringi kaudu filtreeritud ja võimendatud, saame rafineeritud signaali saata LabVIEW programmi, mis kuvab lainekuju ja arvutab ka BPM. Selle projekti jaoks on vaja järgmisi materjale:

-Takisti, kondensaatori ja operatsioonivõimendi (kasutati op -amprit -UA741) elektrilisi komponente

-Joodrita leivaplaat ehitamiseks ja katsetamiseks

-alalisvoolu toiteallikas op-võimendite toitmiseks

-Funktsiooni generaator bioelektrilise signaali tarnimiseks

-Ostsilloskoop sisendsignaali vaatamiseks

-DAQ plaat signaali teisendamiseks analoogist digitaalseks

-LABVIEW tarkvara väljundsignaali jälgimiseks

-BNC ja muutuva otsaga juhtmed

2. etapp: vooluahela kujundamine

Nagu me just arutasime, on vaja nii signaali filtreerida kui ka võimendada. Selleks saame seadistada oma ringrajale 3 erinevat etappi. Esiteks peame oma signaali võimendama. Seda saab teha instrumentaalse võimendi abil. Nii on meie sisendsignaal lõpptootes palju paremini näha. Meil peab selle mõõteriistade võimendiga olema järjestikku sälkfilter. Sälgufiltrit kasutatakse meie toiteallika müra kõrvaldamiseks. Pärast seda saame madalpääsfiltri. Kuna EKG näidud on tavaliselt madalsageduslikud, tahame katkestada kõik sagedused, mis on väljaspool EKG lugemispiiri, seega kasutame madalpääsfiltrit. Neid etappe selgitatakse üksikasjalikumalt järgmistes etappides.

Kui teil on oma vooluahelaga probleeme, on kõige parem simuleerida oma vooluringi veebiprogrammis. Nii saate kontrollida, kas takisti ja kondensaatori väärtuste arvutused on õiged.

3. samm: mõõteriistade võimendi kujundamine

Bioelektrilise signaali tõhusamaks jälgimiseks tuleb signaali võimendada. Selle projekti puhul on üldine saavutamine 1000 V/V. Mõõtevõimendi määratud võimenduse saavutamiseks arvutati ahela takistuse väärtused järgmiste võrrandite abil:

(1. etapp) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(2. etapp) K2 = -R4 / R3

Kui iga etappi korrutatakse üldise kasu arvutamiseks. 1000 V/V võimenduse loomiseks valitud takisti väärtused on R1 = 10 kOhm, R2 = 150 kOhm, R3 = 10 kOhm ja R4 = 330 kOhm. Kasutage alalisvoolu toiteallikat, et anda pingevahemik +/- 15 V (hoides voolupiiri madalal) füüsilise vooluahela võimendite toiteks. Kui soovite kontrollida takistite tegelikke väärtusi või saavutada see võimendus enne ehitamist, saate vooluringi simuleerida, kasutades sellist programmi nagu PSpice või CircuitLab Internetis, või kasutada ostsilloskoopi, millel on antud sisendsignaali pinge, ja kontrollida, kas kasu pärast füüsilise võimendi ehitamist. Ühendage vooluahela käivitamiseks võimendiga funktsioonigeneraator ja ostsilloskoop.

Ülaltoodud foto kujutab seda, kuidas vooluahel simulatsioonitarkvaras PSpice välja näeb. Et kontrollida, kas teie vooluahel töötab korralikult, andke funktsioonigeneraatorist vooluahela kaudu ja ostsilloskoopi 1 kHz 10 mV tipp-tipp-siinuslaine. Ostsilloskoopil tuleks jälgida 10 V tipp-tipp-siinust.

4. samm: sälgufiltri kujundamine

Selle vooluahelaga tegelemisel on eriline probleem asjaolu, et 60 Hz mürasignaali tekitavad USA toiteliinid. Selle müra eemaldamiseks tuleb vooluahela sisendsignaal filtreerida sagedusel 60 Hz ja mis oleks parem viis seda teha kui sälkfiltriga!

Sälkfilter (ülaltoodud vooluahel) on teatud tüüpi elektriline filter, mida saab kasutada signaalilt teatud sageduse eemaldamiseks. 60 Hz signaali eemaldamiseks arvutasime välja järgmised võrrandid:

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

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

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Kasutades kvaliteetset tegurit (Q) 8, et kujundada korralik täpne filter, mahtuvus (C) 0,033 uFarad lihtsamaks kokkupanekuks ja kesksagedus (w) 2 * pi * 60 Hz. See arvutas edukalt takistite R1 = 5,024 kOhm, R2 = 1,2861 MOhms ja R3 = 5,004 kOhm väärtused ning lõi edukalt filtri, et eemaldada sisend bioelektrisignaalilt 60 Hz sagedus. Kui soovite filtrit kontrollida, saate vooluringi simuleerida, kasutades sellist programmi nagu PSpice või CircuitLab online, või kasutada antud sisendsignaali pingega ostsilloskoopi ja kontrollida pärast füüsilise võimendi ehitamist eemaldatud signaali. Ühendage vooluahela käivitamiseks võimendiga funktsioonigeneraator ja ostsilloskoop.

Selle vooluahelaga vahelduvvoolu pühkimine sagedusvahemikus 1 Hz kuni 1 kHz 1 V tipp-tipp signaali korral peaks väljundjoonisel andma 60 Hz sagedusel sälgu tüüpi funktsiooni, mis eemaldatakse sisendist signaal.

Samm: madalpääsfiltri kujundamine

Ahela viimane etapp on madalpääsfilter, täpsemalt teise järgu Butterworthi madalpääsfilter. Seda kasutatakse meie EKG signaali eraldamiseks. EKG lainekujud on tavaliselt vahemikus 0 kuni 100 Hz. Niisiis, arvutame oma takisti ja kondensaatori väärtused lähtuvalt 100 Hz piirsagedusest ja kvaliteeditegurist 8, mis annaks meile suhteliselt täpse filtri.

R1 = 2/(w [aC2+ruut (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

Arvutatud väärtused olid lõpuks R1 = 81,723 kOhms, R2 = 120,92 kOHms, C1 = 0,1 mikroFarad ja C2 = 0,045 mikroFarad. Toite op -võimendid alalispingega + ja - 15V. Kui soovite filtrit kontrollida, saate vooluringi simuleerida, kasutades sellist programmi nagu PSpice või CircuitLab Internetis, või kasutada antud sisendsignaali pingega ostsilloskoopi ja kontrollida pärast füüsilise võimendi ehitamist eemaldatud signaali. Ühendage vooluahela käivitamiseks võimendiga funktsioonigeneraator ja ostsilloskoop. Lõikesagedusel peaksite nägema -3 dB suurust. See näitab, et teie vooluring töötab korralikult.

6. samm: LabVIEW seadistamine

Nüüd, kui vooluahel on loodud, tahame oma signaali tõlgendada. Selleks saame kasutada LabVIEW -d. DAQ abistajat saab kasutada vooluahela signaali hankimiseks. Pärast LabVIEW avamist seadistage vooluring ülaltoodud skeemil näidatud viisil. DAQ assistent võtab selle sisendnäidu vooluringilt ja signaal läheb lainekuju graafikule. See võimaldab teil näha EKG lainekuju!

Järgmisena tahame arvutada BPM -i. Ülaltoodud seadistus teeb seda teie jaoks. Programm toimib, võttes esmalt sissetuleva EKG signaali maksimaalsed väärtused. Läviväärtus võimaldab meil tuvastada kõik uued väärtused, mis on tulemas ja mis jõuavad protsendini meie maksimaalsest väärtusest (antud juhul 90%). Nende väärtuste asukohad saadetakse seejärel indekseerimismassiivi. Kuna indekseerimine algab nullist, tahame võtta 0 ja 1 punkti ning arvutada nende vahelise aja muutuse. See annab meile löökide vahelise aja. Seejärel ekstrapoleerime need andmed BPM -i leidmiseks. Täpsemalt, seda tehakse, korrutades dt -elemendi väljundi ja lahutamise väljundi kahe indekseerimismassiivi väärtuse vahel ja jagades seejärel 60 -ga (kuna teisendame minutiteks).

Samm: ühendage see kõik ja katsetage

Ühendage ahel DAQ -plaadi sisendiga. Nüüd läheb sisestatud signaal vooluringi kaudu DAQ -tahvlile ja programm LabVIEW väljastab lainekuju ja arvutatud BPM.

Palju õnne!