Digitális EKG és pulzusmérő: 8 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:43

FIGYELEM: Ez nem orvosi eszköz. Ez csak oktatási célokat szolgál, szimulált jelek használatával. Ha ezt az áramkört valós EKG-mérésekhez használja, győződjön meg arról, hogy az áramkör és az áramkör-műszer kapcsolatok akkumulátoros energiát és más megfelelő szigetelési technikákat használnak

Az elektrokardiogram (EKG) rögzíti az elektromos jeleket a szívciklus során. Minden alkalommal, amikor a szív dobog, a szívizomsejtek depolarizációs és hiperpolarizációs ciklusa következik be. A depolarizációt és a hiperpolarizációt elektródák rögzíthetik, és az orvosok elolvassák ezeket az információkat, hogy többet megtudjanak a szív működéséről. Az EKG meghatározhatja a szívinfarktust, a pitvari vagy kamrai fibrillációt, a tachycardiát és a bradycardiát [1]. Miután az EKG segítségével megállapította, mi a probléma, az orvosok sikeresen diagnosztizálhatják és kezelhetik a beteget. Kövesse az alábbi lépéseket, hogy megtanulja, hogyan készíthet saját elektrokardiogram -rögzítő eszközt!

1. lépés: Anyagok

Áramköri alkatrészek:

• Öt UA741 operációs erősítő
• Ellenállások
• Kondenzátorok
• Jumper vezetékek
• DAQ tábla
• LabVIEW szoftver

Vizsgáló berendezés:

• Funkciógenerátor
• DC tápegység
• Oszcilloszkóp
• BNC kábelek és T-elosztó
• Jumper kábelek
• Alligátor klipek
• Banán dugók

2. lépés: Műszeres erősítő

Az áramkör első szakasza egy műszeres erősítő. Ez felerősíti a biológiai jelet, így megkülönböztethetők az EKG különböző összetevői.

A műszeres erősítő kapcsolási rajza fent látható. Ennek az áramkörnek az első fokú erősítése K1 = 1 + 2*R2 / R1. Az áramkör második fokozatának erősítése K2 = R4 / R3. A műszeres erősítő teljes nyeresége K1 * K2. A kívánt nyereség ennél a projektnél megközelítőleg 1000 volt, így K1 -t 31 -re, K2 -t 33 -ra választottunk. Ezeknek a nyereségeknek az ellenállási értékei a fenti kapcsolási rajzon láthatók. Használhatja a fent látható ellenállásértékeket, vagy módosíthatja az értékeket, hogy megfeleljen a kívánt nyereségnek. **

Miután kiválasztotta a komponens értékeit, az áramkört felépítheti a kenyértáblán. A kenyértáblán lévő áramköri kapcsolatok egyszerűsítése érdekében a tetején lévő negatív vízszintes sávot földnek, míg az alsó két vízszintes sínt +/- 15V értékre állították.

Az első műveleti erősítőt a kenyértábla bal oldalán helyezték el, hogy helyet hagyjanak az összes többi alkatrésznek. A mellékleteket a csapok időrendi sorrendjében adtuk hozzá. Ez megkönnyíti a nyomon követést, hogy milyen darabokat adtak hozzá vagy sem. Miután az összes csap elkészült az 1. op erősítőhöz, a következő op erősítő helyezhető. Ismét győződjön meg arról, hogy viszonylag közel van ahhoz, hogy helyet hagyjon. Ugyanazt az időrendi tűs folyamatot végezték el minden operősítőre, amíg a műszeres erősítő elkészült.

Ezt követően bypass kondenzátorokat adtak hozzá az áramköri rajzhoz annak érdekében, hogy megszabaduljanak a vezetékek váltakozó áramú csatolásától. Ezeket a kondenzátorokat az egyenfeszültségű tápegységgel párhuzamosan helyezték el, és a felső vízszintes negatív sínre földelték. Ezeknek a kondenzátoroknak 0,1-1 mikroFarad tartományban kell lenniük. Mindegyik op erősítő két bypass kondenzátorral rendelkezik, az egyik a 4 -es és a 7 -es érintkezővel. Az egyes operősítők két kondenzátorának azonos értékűnek kell lenniük, de az op amp -enként eltérő lehet.

Az erősítés teszteléséhez funkciógenerátort és oszcilloszkópot csatlakoztattak az erősítő bemenetéhez, illetve kimenetéhez. A bemeneti jelet is csatlakoztattuk az oszcilloszkóphoz. Egy egyszerű szinuszhullámot használtunk az erősítés meghatározására. Vigye be a funkciógenerátor kimenetét a műszer -erősítő két bemeneti csatlakozójába. Állítsa be az oszcilloszkópot a kimeneti jel és a bemeneti jel arányának mérésére. Az áramkör nyeresége decibelben Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). 1000 nyereség esetén a nyereség decibelben 60dB. Az oszcilloszkóp segítségével meghatározhatja, hogy a felépített áramkör nyeresége megfelel -e az előírásoknak, vagy meg kell változtatnia néhány ellenállásértéket az áramkör javítása érdekében.

Miután a műszeres erősítő megfelelően összeszerelt és működőképes, továbbléphet a bevágásos szűrőhöz.

** A fenti kapcsolási rajzon R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

3. lépés: Vágásszűrő

A bevágásos szűrő célja a zaj eltávolítása a 60 Hz -es fali tápegységből. A bemetszéses szűrő a határfrekvencián gyengíti a jelet, és áthalad a felette és alatta lévő frekvenciákon. Ennél az áramkörnél a kívánt határfrekvencia 60 Hz.

A fent bemutatott kapcsolási rajz irányító egyenletei: R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) és R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), ahol Q minőségi tényező és w 2 * pi * (határfrekvencia). A 8 minőségi tényező ésszerű tartományban adja az ellenállás és a kondenzátor értékeit. Feltételezhető, hogy a kondenzátor értékei azonosak. Így kiválaszthatja a készletekben kapható kondenzátor értéket. A fenti áramkörben megadott ellenállásértékek 60 Hz -es határfrekvenciára, 8 -as minőségi tényezőre és 0,22 uF kondenzátor értékre vonatkoznak.

Mivel a kondenzátorok párhuzamosan adódnak hozzá, két kiválasztott C értékű kondenzátort párhuzamosan helyeztek el, hogy 2C értéket érjenek el. Továbbá bypass kondenzátorokat adtak az op erősítőhöz.

A bemetszés szűrő teszteléséhez csatlakoztassa a funkciógenerátor kimenetét a bevágásszűrő bemenetéhez. Figyelje meg az áramkör bemenetét és kimenetét oszcilloszkópon. Ahhoz, hogy hatékony bemetszéses szűrőt kapjon, a nyereségnek -20 dB -nél kisebbnek vagy egyenlőnek kell lennie a levágási frekvencián. Mivel az összetevők nem ideálisak, ezt nehéz elérni. Előfordulhat, hogy a számított ellenállás és kondenzátor értékek nem adják meg a kívánt nyereséget. Ehhez módosítani kell az ellenállás és a kondenzátor értékeit.

Ehhez fókuszáljon egyszerre egy komponensre. Növelje és csökkentse egyetlen összetevő értékét anélkül, hogy bármit megváltoztatna. Figyelje meg, hogy ez milyen hatással van az áramkör nyereségére. Ez sok türelmet igényelhet a kívánt nyereség eléréséhez. Ne feledje, hogy sorban adhat hozzá ellenállásokat az ellenállások értékének növeléséhez vagy csökkentéséhez. A változás, amely a legjobban javította a nyereségünket, az volt, hogy az egyik kondenzátort 0,33 uF -ra növeltük.

4. lépés: Aluláteresztő szűrő

Az aluláteresztő szűrő eltávolítja a magasabb frekvenciájú zajt, amely zavarhatja az EKG jelet. Egy 40 Hz -es aluláteresztés -levágás elegendő az EKG -hullámforma információinak rögzítéséhez. Az EKG egyes elemei azonban meghaladják a 40 Hz -et. 100 Hz vagy 150 Hz határérték is használható [2].

Az aluláteresztő szűrő egy másodrendű Butterworth szűrő. Mivel áramkörünk erősítését a műszeres erősítő határozza meg, az aluláteresztő szűrő 1 -es erősítését szeretnénk a sávon belül. Az 1 -es erősítés érdekében az RA rövidre zárva van, és az RB nyitott áramkörrel rendelkezik a fenti kapcsolási rajzon [3]. Az áramkörben C1 = 10 / (fc) uF, ahol fc a határfrekvencia. C1 -nek kisebbnek vagy egyenlőnek kell lennie a C2 * a^2 / (4 * b) értékkel. Másodrendű Butterworth -szűrő esetén a = sqrt (2) és b = 1. Ha az a és b értékeket bedugja, akkor a C2 egyenlete egyszerűsödik C1 / 2 -re vagy egyenlővé. Ezután R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a^2 * C2^2 - 4 * b * C1 * C2)] és R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), ahol w = 2 * pi * fc. Ennek az áramkörnek a számításait elvégezték annak érdekében, hogy 40 Hz -es határértéket biztosítsanak. Az ellenállás és a kondenzátor értékei, amelyek megfelelnek ezeknek a követelményeknek, a fenti kapcsolási rajzon láthatók.

Az operősítőt a kenyértábla jobb szélére helyezték, mivel utána semmilyen más összetevő nem kerül hozzáadásra. Az áramkör befejezéséhez ellenállásokat és kondenzátorokat adtak az op erősítőhöz. Az op erősítőhöz bypass kondenzátorokat is adtak. A bemeneti terminál üresen maradt, mivel a bemenet a bemetszéses szűrő kimeneti jeléből származik. Tesztelési célból azonban vezetéket helyeztek a bemeneti érintkezőre annak érdekében, hogy el lehessen különíteni az aluláteresztő szűrőt és egyedileg tesztelni lehessen.

A funkciógenerátor szinuszhullámát használtuk bemeneti jelként, és különböző frekvenciákon figyeltük meg. Figyelje meg a bemeneti és kimeneti jeleket oszcilloszkópon, és határozza meg az áramkör erősítését különböző frekvenciákon. Aluláteresztő szűrő esetén a nyereségnek a levágási frekvencián -3 dB -nek kell lennie. Ennél az áramkörnél a levágásnak 40 Hz -en kell megtörténnie. A 40 Hz alatti frekvenciáknak csekély mértékben vagy egyáltalán nem kell csillapítaniuk a hullámformájukat, de mivel a frekvencia 40 Hz fölé emelkedik, az erősítésnek tovább kell gördülnie.

5. lépés: Az áramköri szakaszok összeszerelése

Miután felépítette az áramkör minden szakaszát és önállóan tesztelte őket, összekötheti őket. A műszeres erősítő kimenetét a hornyos szűrő bemenetéhez kell csatlakoztatni. A bemetszéses szűrő kimenetét az aluláteresztő szűrő bemenetéhez kell csatlakoztatni.

Az áramkör teszteléséhez csatlakoztassa a funkciógenerátor bemenetét a műszer erősítő fokozat bemenetéhez. Figyelje meg az áramkör bemenetét és kimenetét oszcilloszkópon. Tesztelhet a funkciógenerátor előre programozott EKG-hullámával, vagy szinuszhullámmal, és megfigyelheti az áramkör hatásait. A fenti oszcilloszkóp képen a sárga görbe a bemeneti hullámforma, a zöld görbe pedig a kimenet.

Miután csatlakoztatta az összes áramköri szakaszát, és bebizonyította, hogy megfelelően működik, csatlakoztathatja az áramkör kimenetét a DAQ kártyához, és megkezdheti a programozást a LabVIEW programban.

6. lépés: LabVIEW program

A LabVIEW kód a szimulált EKG -hullám különböző méterenként mért ütéseinek észlelését jelenti különböző frekvenciákon. A LabVIEW programozásához először azonosítani kell az összes összetevőt. Egy analóg -digitális átalakítót, más néven adatgyűjtő (DAQ) kártyát be kell állítani és be kell állítani, hogy folyamatosan működjön. Az áramkör kimeneti jele a DAQ kártya bemenetéhez van csatlakoztatva. A LabVIEW program hullámforma gráfja közvetlenül a DAQ asszisztens kimenetéhez van csatlakoztatva. A DAQ adatok kimenete is a max/min azonosítóba kerül. A jel ezután szorzási aritmetikai operátoron megy keresztül. A küszöbérték kiszámításához a 0,8 -as numerikus mutatót kell használni. Ha a jel meghaladja a 0,8*maximumot, akkor csúcsot észlel. Bármikor, amikor ezt az értéket találták, az index tömbben tárolták. A két adatpont az indextömbben tárolódik, és a kivonási számtani operátorba kerül. Az idő változását e két érték között találták. Ezután a pulzusszám kiszámításához 60 -at el kell osztani az időkülönbséggel. A kimeneti grafikon mellett látható numerikus indikátor a szívfrekvenciát percenkénti ütemben (bpm) adja ki a bemeneti jelből. A program beállítása után az egészet egy folyamatos ciklusba kell helyezni. A különböző frekvencia bemenetek különböző bpm értékeket adnak.

7. lépés: Gyűjtse össze az EKG -adatokat

Most szimulált EKG jelet vihet be az áramkörébe, és adatokat rögzíthet a LabVIEW programjában! Módosítsa a szimulált EKG frekvenciáját és amplitúdóját, hogy lássa, hogyan befolyásolja ez a rögzített adatokat. A gyakoriság megváltoztatásakor változást kell tapasztalnia a számított pulzusszámban. Sikeresen megtervezte az EKG -t és a pulzusmérőt!

8. lépés: További fejlesztések

A felépített eszköz jól fog működni szimulált EKG jelek felvételéhez. Ha azonban biológiai jeleket szeretne rögzíteni (feltétlenül kövesse a megfelelő biztonsági óvintézkedéseket), akkor további módosításokat kell végezni az áramkörökön a jelolvasás javítása érdekében. A DC -eltolás és az alacsony frekvenciájú mozgástermékek eltávolításához felüláteresztő szűrőt kell hozzáadni. A műszeres erősítő erősítését is tízszeresére kell csökkenteni, hogy a LabVIEW és az op erősítők használható tartományán belül maradjon.

Források

[1] S. Meek és F. Morris: „Bevezetés. II-alapvető terminológia.”, BMJ, vol. 324, nem. 7335, 470–3., 2002. február.

[2] Chia-Hung Lin, Az EKG ütésdiszkriminációjának gyakoriságtartomány-jellemzői szürke relációs elemzésen alapuló osztályozó segítségével, In Computers & Mathematics with Applications, 55. kötet, 2008. 4. szám, 680-690. Oldal, ISSN 0898-1221, [3] „Másodrendű szűrő | Másodrendű aluláteresztő szűrő.” Alapvető elektronikai oktatóanyagok, 2016. szeptember 9., www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…