Bioelektromos jelek rögzítése: EKG és pulzusmérő: 7 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 megfelelő szigetelési technikákat alkalmaznak.

Az elektrokardiogram (EKG) olyan vizsgálat, amelynek során felületi elektródákat helyeznek el egy alanyra meghatározott módon, hogy érzékeljék és mérjék az alany szívének elektromos aktivitását [1]. Az EKG -nak számos felhasználási módja van, és segíthet a szívbetegségek diagnosztizálásában, a stressztesztekben és a megfigyelésben műtét közben. Az EKG a szívverések változásait, aritmiákat, szívrohamot és sok más tapasztalatot és betegséget [1] is képes észlelni, amelyeket a fenti problémajelentésben is leírtak. Az EKG által mért szívjel három különböző hullámformát hoz létre, amelyek a működő szív élő táplálását ábrázolják. Ezeket a fenti kép mutatja.

Ennek a projektnek az a célja, hogy olyan eszközt hozzon létre, amely képes kimeneti generátortól vagy emberektől EKG -jelet szerezni, és a zajt kiküszöbölve reprodukálni a jelet. A rendszer kimenete kiszámítja a BPM -et is.

Lássunk neki!

1. lépés: Gyűjtsön össze minden anyagot

Az EKG létrehozásához létre fogunk hozni egy rendszert, amely két fő részből áll, az áramkörből és a LabVIEW rendszerből. Az áramkör célja annak biztosítása, hogy megkapjuk a kívánt jelet. Sok a környezeti zaj, amely elfojthatja EKG jelünket, ezért erősítenünk kell a jelünket, valamint ki kell szűrnünk az esetleges zajt. Miután a jelet leszűrtük és felerősítettük az áramkörön, a finomított jelet elküldhetjük egy LabVIEW programnak, amely megjeleníti a hullámformát és kiszámítja a BPM -et. A projekthez a következő anyagok szükségesek:

-Ellenállás, kondenzátor és műveleti erősítő (op -erősítők -UA741) elektromos alkatrészek

-Rozsdamentes kenyértábla építéshez és teszteléshez

-DC tápegység, amely áramot biztosít az erősítőknek

-Funkciógenerátor bioelektromos jel szolgáltatására

-Oszcilloszkóp a bemeneti jel megtekintéséhez

-DAQ kártya a jel analógból digitálisvá alakításához

-LABVIEW szoftver a kimeneti jel megfigyelésére

-BNC és változó végű vezetékek

2. lépés: Az áramkör tervezése

Amint az előbb tárgyaltuk, szükséges a jel szűrése és erősítése is. Ennek érdekében a körünk 3 különböző szakaszát állíthatjuk be. Először is erősítenünk kell a jelünket. Ezt műszeres erősítővel lehet megtenni. Ily módon a bemeneti jel sokkal jobban látható a végtermékben. Ehhez a műszer -erősítőhöz soros bemetszésű szűrőre van szükségünk. A bemetszéses szűrőt arra használjuk, hogy megszüntesse az áramforrásból származó zajt. Ezt követően rendelkezhetünk aluláteresztő szűrővel. Mivel az EKG leolvasások általában alacsony frekvenciájúak, szeretnénk levágni minden olyan frekvenciát, amely az EKG leolvasási határainkon kívül eső frekvencián van, ezért aluláteresztő szűrőt használunk. Ezeket a szakaszokat részletesebben a következő lépések ismertetik.

Ha problémái vannak az áramkörrel, a legjobb, ha egy online programban szimulálja az áramkört. Így ellenőrizheti, hogy helyesek -e az ellenállás és a kondenzátor értékei.

3. lépés: A műszeres erősítő tervezése

A bioelektromos jel hatékonyabb megfigyelése érdekében a jelet erősíteni kell. Ehhez a projekthez az összteljesítmény elérése 1000 V/V. A műszeres erősítő által előírt erősítés eléréséhez az áramkör ellenállási értékeit a következő egyenletekkel számítottuk ki:

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

(2. szakasz) K2 = -R4 / R3

Ahol az egyes szakaszokat megszorozzák a teljes nyereség kiszámításához. Az 1000 V/V erősítés létrehozásához az ellenállás értékei R1 = 10 kOhm, R2 = 150 kOhm, R3 = 10 kOhm és R4 = 330 kOhm. Az egyenáramú tápegységgel adja meg a +/- 15 V feszültségtartományt (alacsonyan tartva az áramhatárt) a fizikai áramkör op-amperjeinek táplálásához. Ha ellenőrizni szeretné az ellenállások valódi értékeit, vagy szeretné elérni ezt a nyereséget az építés előtt, szimulálhatja az áramkört egy olyan program segítségével, mint a PSpice vagy a CircuitLab online, vagy használhat egy oszcilloszkópot egy adott bemeneti jelfeszültséggel, és ellenőrizze az nyereség fizikai erősítő építése után. Az áramkör futtatásához csatlakoztassa a funkciógenerátort és az oszcilloszkópot az erősítőhöz.

A fenti fotó azt mutatja be, hogyan néz ki az áramkör a PSpice szimulációs szoftverben. Annak ellenőrzéséhez, hogy az áramkör megfelelően működik, tápláljon 1 kHz-es 10 mV-os csúcs-csúcs szinuszhullámot a funkciógenerátorból, az áramkörön keresztül és az oszcilloszkóphoz. Az oszcilloszkópon 10 V-os csúcs-csúcs szinuszhullámot kell megfigyelni.

4. lépés: A horonyszűrő tervezése

Ennek az áramkörnek a sajátos problémája az a tény, hogy az Egyesült Államokban a tápegységek 60 Hz -es zajjelet állítanak elő. Ennek a zajnak a kiküszöbölése érdekében az áramkör bemeneti jelét 60 Hz -en kell szűrni, és mi lehet jobb módja ennek, mint egy bevágásos szűrővel!

A bemetszéses szűrő (a fent bemutatott áramkör) egy bizonyos típusú elektromos szűrő, amely egy bizonyos frekvencia eltávolítására használható a jelből. A 60 Hz -es jel eltávolításához a következő egyenleteket számítottuk ki:

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

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

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

Q = w / B

B = w2 - w1

8 -as minőségi tényező (Q) használatával tisztességesen pontos szűrő, 0,033 uFarad kapacitás (C) a könnyebb összeszereléshez és 2 * pi * 60 Hz középfrekvencia (w). Ez sikeresen kiszámította az R1 = 5,024 kOhm, R2 = 1,2861 MOhms és R3 = 5,004 kOhm ellenállások értékeit, és sikeresen létrehozott egy szűrőt, amely eltávolítja a 60 Hz -es frekvenciát a bemeneti bioelektromos jelből. Ha ellenőrizni szeretné a szűrőt, szimulálhatja az áramkört egy olyan program segítségével, mint a PSpice vagy a CircuitLab online, vagy használhat egy adott bemeneti jelfeszültségű oszcilloszkópot, és ellenőrizheti az eltávolított jelet a fizikai erősítő építése után. Az áramkör futtatásához csatlakoztassa a funkciógenerátort és az oszcilloszkópot az erősítőhöz.

Ha ezzel az áramkörrel egy 1 V-tól 1 kHz-ig terjedő frekvenciatartományban váltakozó áramú áramütést hajt végre 1 V-os csúcs-csúcs jelnél, akkor a bemenetről eltávolított 60 Hz-es „bevágás” típusú tulajdonságot kell eredményeznie. jel.

5. lépés: Aluláteresztő szűrő tervezése

Az áramkör utolsó szakasza az aluláteresztő szűrő, különösen a másodrendű Butterworth aluláteresztő szűrő. Ezzel izolálhatjuk EKG jelünket. Az EKG hullámformái általában 0 és ~ 100 Hz közötti frekvenciahatáron belül vannak. Tehát az ellenállás és a kondenzátor értékeit a 100 Hz -es határfrekvencia és a 8 -as minőségi tényező alapján számoljuk ki, ami viszonylag pontos szűrőt eredményezne.

R1 = 2/(w [aC2+sqrt (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

A számított értékek végül R1 = 81,723 kOhm, R2 = 120,92 kOHms, C1 = 0,1 mikroFarad és C2 = 0,045 mikroFarad. Táplálja az erősítőket + és - 15 V egyenfeszültséggel. Ha ellenőrizni szeretné a szűrőt, szimulálhatja az áramkört egy olyan program segítségével, mint a PSpice vagy a CircuitLab online, vagy használhat egy adott bemeneti jelfeszültségű oszcilloszkópot, és ellenőrizheti az eltávolított jelet a fizikai erősítő építése után. Az áramkör futtatásához csatlakoztassa a funkciógenerátort és az oszcilloszkópot az erősítőhöz. A határfrekvencián -3 dB -es nagyságrendet kell látnia. Ez azt jelzi, hogy az áramkör megfelelően működik.

6. lépés: A LabVIEW beállítása

Most, hogy létrejött az áramkör, szeretnénk tudni értelmezni a jelünket. Ehhez használhatjuk a LabVIEW -t. DAQ asszisztens használható az áramkör jelének megszerzésére. A LabVIEW megnyitása után állítsa be az áramkört a fenti ábra szerint. A DAQ asszisztens leveszi ezt a bemeneti értéket az áramkörről, és a jel a hullámforma gráfba kerül. Így láthatja az EKG hullámformáját!

Ezután a BPM -et szeretnénk kiszámítani. A fenti beállítások ezt megteszik az Ön számára. A program úgy működik, hogy először veszi a bejövő EKG jel maximális értékeit. A küszöbérték lehetővé teszi, hogy észleljük az összes új értéket, amely beérkezik, és eléri a maximális értékünk százalékát (ebben az esetben 90%-ot). Ezen értékek helyét ezután elküldi az indexelő tömbnek. Mivel az indexelés 0 -val kezdődik, a 0. és az 1. pontot szeretnénk felvenni, és kiszámítani a köztük lévő időbeli változást. Ez ad nekünk időt az ütések között. Ezután extrapoláljuk ezeket az adatokat, hogy megtaláljuk a BPM -et. Konkrétan ez úgy történik, hogy megszorozzuk a dt elem kimenetét és a kivonás kimenetét az indexelő tömbök két értéke között, majd elosztjuk 60 -zal (mivel percre konvertálunk).

7. lépés: Csatlakoztassa az összeset és tesztelje

Csatlakoztassa az áramkört a DAQ kártya bemenetéhez. Most a bevitt jel átmegy az áramkörön a DAQ kártyára, és a LabVIEW program a hullámalakot és a számított BPM -et adja ki.

Gratula!