Digitaalinen EKG ja sykemittari: 8 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

HUOMAUTUS: Tämä ei ole lääketieteellinen laite. Tämä on tarkoitettu vain opetustarkoituksiin käyttäen simuloituja signaaleja. Jos käytät tätä piiriä todellisiin EKG-mittauksiin, varmista, että piiri ja piirin ja laitteen väliset liitännät käyttävät akkuvirtaa ja muita asianmukaisia eristystekniikoita

Elektrokardiogrammi (EKG) tallentaa sähköisiä signaaleja sydämen syklin aikana. Joka kerta, kun sydän lyö, sydänlihassolujen depolarisaatio- ja hyperpolarisointijakso tapahtuu. Depolarisaatio ja hyperpolarisaatio voidaan tallentaa elektrodeilla, ja lääkärit lukevat nämä tiedot saadakseen lisätietoja sydämen toiminnasta. EKG voi määrittää sydäninfarktin, eteis- tai kammiovärinän, takykardian ja bradykardian [1]. Kun EKG on määrittänyt ongelman, lääkärit voivat diagnosoida ja hoitaa potilaan onnistuneesti. Noudata alla olevia ohjeita oppiaksesi tekemään oma EKG -tallennuslaite!

Vaihe 1: Materiaalit

Piirin komponentit:

• Viisi UA741 -operaatiovahvistinta
• Vastukset
• Kondensaattorit
• Hyppyjohdot
• DAQ -levy
• LabVIEW -ohjelmisto

Testauslaitteet:

• Toimintogeneraattori
• DC -virtalähde
• Oskilloskooppi
• BNC-kaapelit ja T-jakaja
• Käynnistyskaapelit
• Alligaattorileikkeet
• Banaanitulpat

Vaihe 2: Instrumentation Amplifier

Piirin ensimmäinen vaihe on instrumenttivahvistin. Tämä vahvistaa biologista signaalia siten, että EKG: n eri komponentit voidaan erottaa toisistaan.

Instrumenttivahvistimen kytkentäkaavio on esitetty yllä. Tämän piirin ensimmäisen vaiheen vahvistus määritellään K1 = 1 + 2*R2 / R1. Piirin toisen vaiheen vahvistus määritellään K2 = R4 / R3. Mittarivahvistimen kokonaisvahvistus on K1 * K2. Tämän projektin haluttu vahvistus oli noin 1000, joten K1 valittiin 31: ksi ja K2 valittiin 33. Näiden vahvistusten vastusarvot on esitetty edellä piirikaaviossa. Voit käyttää yllä esitettyjä vastusarvoja tai muokata arvoja halutun vahvistuksen mukaan. **

Kun olet valinnut komponenttiarvot, piiri voidaan rakentaa leipälevylle. Leipälevyn piiriliitäntöjen yksinkertaistamiseksi yläosassa oleva negatiivinen vaakasuora kisko asetettiin maahan, kun taas kaksi vaakasuoraa kiskoa alareunassa asetettiin +/- 15 V.

Ensimmäinen op -vahvistin sijoitettiin leipälaudan vasemmalle puolelle, jotta kaikille jäljellä oleville komponenteille jää tilaa. Liitteet lisättiin nastojen aikajärjestyksessä. Näin on helpompi seurata, mitä kappaleita on lisätty tai ei. Kun kaikki nastat ovat valmiit op -vahvistimelle 1, seuraava op -vahvistin voidaan sijoittaa. Varmista jälleen, että se on suhteellisen lähellä, jotta tilaa voi jättää. Sama kronologinen nastaprosessi suoritettiin kaikille op -vahvistimille, kunnes instrumentointivahvistin oli valmis.

Ohituskondensaattoreita lisättiin sitten piirikaavion lisäksi, jotta päästäisiin eroon johtojen AC -liittimestä. Nämä kondensaattorit asetettiin rinnakkain tasavirtalähteen kanssa ja maadoitettiin ylempään vaakasuoraan negatiivikiskoon. Näiden kondensaattoreiden tulisi olla alueella 0,1 - 1 mikroFarad. Jokaisessa op -vahvistimessa on kaksi ohituskondensaattoria, yksi nastalle 4 ja toinen nastalle 7. Kummankin op -vahvistimen kahden kondensaattorin arvon on oltava sama, mutta ne voivat vaihdella op -vahvistimien välillä.

Vahvistuksen testaamiseksi toiminnon generaattori ja oskilloskooppi liitettiin vahvistimen tuloon ja ulostuloon. Tulosignaali liitettiin myös oskilloskooppiin. Yksinkertaista siniaaltoa käytettiin vahvistuksen määrittämiseen. Syötä toimintogeneraattorin ulostulo instrumenttivahvistimen kahteen tuloliittimeen. Aseta oskilloskooppi mittaamaan lähtösignaalin ja tulosignaalin suhdetta. Piirin vahvistus desibeleissä on Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). Jos vahvistus on 1000, voitto desibeleinä on 60 dB. Oskilloskoopin avulla voit määrittää, täyttääkö rakennetun piirisi vahvistus vaatimuksesi tai joudutko muuttamaan joitain vastusarvoja piirisi parantamiseksi.

Kun instrumenttivahvistin on koottu oikein ja toimii, voit siirtyä lovisuodattimeen.

** Yllä olevassa kytkentäkaaviossa R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Vaihe 3: Lovisuodatin

Lokasuodattimen tarkoituksena on poistaa melua 60 Hz: n seinävirtalähteestä. Lovisuodatin vaimentaa signaalin rajataajuudella ja siirtää taajuuksia sen ylä- ja alapuolella. Tämän piirin haluttu rajataajuus on 60 Hz.

Yllä olevan piirikaavion hallitsevat yhtälöt ovat R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) ja R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), missä Q on laatutekijä ja w on 2 * pi * (rajataajuus). Laatukerroin 8 antaa vastuksen ja kondensaattorin arvot kohtuulliselle alueelle. Kondensaattorin arvojen voidaan olettaa olevan kaikki samat. Näin voit valita sarjoissasi olevan kondensaattorin arvon. Yllä olevassa piirissä esitetyt vastusarvot ovat 60 Hz: n rajataajuudelle, laatukertoimelle 8 ja kondensaattorin arvolle 0,22 uF.

Koska kondensaattorit lisäävät rinnakkain, kaksi valitun arvon C kondensaattoria sijoitettiin rinnakkain arvon 2C saavuttamiseksi. Myös ohituskondensaattoreita lisättiin op -vahvistimeen.

Testaa lovisuodatin liittämällä toimintogeneraattorin ulostulo lovisuodattimen tuloon. Tarkkaile piirin tuloa ja lähtöä oskilloskoopilla. Jos haluat tehokkaan lovisuodattimen, vahvistuksen pitäisi olla pienempi tai yhtä suuri kuin -20dB rajataajuudella. Koska komponentit eivät ole ihanteellisia, tämän saavuttaminen voi olla vaikeaa. Lasketut vastuksen ja kondensaattorin arvot eivät välttämättä anna haluttua vahvistusta. Tämä edellyttää, että muutat vastuksen ja kondensaattorin arvoja.

Keskity yhteen komponenttiin kerrallaan. Lisää ja vähennä yksittäisen komponentin arvoa muuttamatta muita. Huomioi tämän vaikutukset piirin vahvistukseen. Tämä voi vaatia paljon kärsivällisyyttä halutun hyödyn saavuttamiseksi. Muista, että voit lisätä vastuksia sarjaan lisätäksesi tai pienentääksesi vastusarvoja. Muutos, joka paransi voittoamme eniten, oli nostaa yksi kondensaattoreista 0,33 uF: iin.

Vaihe 4: Alipäästösuodatin

Alipäästösuodatin poistaa korkeamman taajuuden kohinaa, joka voi häiritä EKG -signaalia. 40 Hz: n alipäästöraja riittää EKG -aaltomuototietojen tallentamiseen. Jotkut EKG: n komponentit kuitenkin ylittävät 40 Hz. Voidaan käyttää myös 100 Hz: n tai 150 Hz: n raja -arvoa [2].

Rakennettu alipäästösuodatin on toisen asteen Butterworth -suodatin. Koska piirimme vahvistuksen määrittää instrumenttivahvistin, haluamme alipäästösuodattimen vahvistuksen kaistalla 1. Vahvistuksen 1 saavuttamiseksi RA on oikosulussa ja RB on avoimessa piirissä yllä olevassa kytkentäkaaviossa [3]. Piirissä C1 = 10 / (fc) uF, jossa fc on rajataajuus. C1: n tulisi olla pienempi tai yhtä suuri kuin C2 * a^2 / (4 * b). Toisen asteen Butterworth -suodattimelle a = sqrt (2) ja b = 1. Kun liität arvot a ja b, C2: n yhtälö yksinkertaistuu pienemmäksi tai yhtä suureksi kuin C1 / 2. Sitten R1 = 2 / [w * (a * C2 + neliö (a^2 * C2^2-4 * b * C1 * C2))] ja R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), missä w = 2 * pi * fc. Tämän piirin laskelmat suoritettiin 40 Hz: n raja -arvon aikaansaamiseksi. Näiden vaatimusten mukaiset vastuksen ja kondensaattorin arvot on esitetty yllä olevassa kytkentäkaaviossa.

Op -vahvistin sijoitettiin leipälevyn oikealle puolelle, koska sen jälkeen ei lisätä muita komponentteja. Vastukset ja kondensaattorit lisättiin op -vahvistimeen piirin täydentämiseksi. Ohitusvahvistimeen lisättiin myös ohituskondensaattoreita. Tuloliitäntä jätettiin tyhjäksi, koska tulo tulee lovisuodattimen lähtösignaalista. Kuitenkin testaustarkoituksiin tulo -nastaan asetettiin johto, jotta alipäästösuodatin voitaisiin eristää ja testata erikseen.

Funktiogeneraattorin siniaaltoa käytettiin tulosignaalina ja se havaittiin eri taajuuksilla. Tarkkaile sekä tulo- että lähtösignaaleja oskilloskoopilla ja määritä piirin vahvistus eri taajuuksilla. Alipäästösuodattimen vahvistuksen rajataajuudella tulisi olla -3 dB. Tätä piiriä varten katkaisun tulisi tapahtua 40 Hz: n taajuudella. Alle 40 Hz: n taajuuksien aaltomuodossa ei pitäisi olla juurikaan vaimennusta tai ei lainkaan, mutta kun taajuus nousee yli 40 Hz, vahvistuksen pitäisi jatkaa pyörimistä.

Vaihe 5: Piirivaiheiden kokoaminen

Kun olet rakentanut piirin jokaisen vaiheen ja testannut ne itsenäisesti, voit yhdistää ne kaikki. Instrumenttivahvistimen lähtö on liitettävä lovisuodattimen tuloon. Lovisuodattimen lähtö tulee kytkeä alipäästösuodattimen tuloon.

Testaa piiri kytkemällä toimintogeneraattorin tulo instrumentointivahvistimen tuloon. Tarkkaile piirin tuloa ja lähtöä oskilloskoopilla. Voit testata toimintogeneraattorin esiohjelmoidulla EKG-aallolla tai siniaallolla ja tarkkailla piirisi vaikutuksia. Yllä olevassa oskilloskooppikuvassa keltainen käyrä on tuloaaltomuoto ja vihreä käyrä on lähtö.

Kun olet liittänyt kaikki piirivaiheesi ja osoittanut, että se toimii oikein, voit kytkeä piirisi ulostulon DAQ -korttiin ja aloittaa ohjelmoinnin LabVIEW -ohjelmassa.

Vaihe 6: LabVIEW -ohjelma

LabVIEW -koodi on havaita lyöntiä metriä kohti simuloidusta EKG -aallosta eri taajuuksilla. Ohjelmoidaksesi LabVIEW -ohjelmassa sinun on ensin tunnistettava kaikki komponentit. Analogisesta digitaalimuuntimeen, joka tunnetaan myös nimellä DAQ -kortti, on asennettava ja asetettava toimimaan jatkuvasti. Piirin lähtösignaali on kytketty DAQ -kortin tuloon. LabVIEW -ohjelman aaltomuotokaavio on kytketty suoraan DAQ -avustajan lähtöön. DAQ -datan tuotos menee myös max/min -tunnisteeseen. Signaali kulkee sitten kertoaritmeettisen operaattorin läpi. Kynnysarvon laskemiseen käytetään numeerista indikaattoria 0,8. Kun signaali ylittää 0,8*maksimin, huippu havaitaan. Aina kun tämä arvo havaittiin, se tallennettiin indeksitaulukkoon. Kaksi datapistettä tallennetaan indeksitaulukkoon ja syötetään vähennyslaskutoimittajaan. Aikamuutos havaittiin näiden kahden arvon välillä. Sitten sykkeen laskemiseksi 60 jaetaan aikaerolla. Lähtökaavion vieressä näkyvä numeerinen ilmaisin näyttää sykkeen tulosignaalin lyönteinä minuutissa (bpm). Kun ohjelma on asennettu, se tulee laittaa jatkuvan ajankierron sisälle. Eri taajuustulot antavat erilaisia bpm -arvoja.

Vaihe 7: Kerää EKG -tietoja

Nyt voit syöttää simuloidun EKG -signaalin piiriin ja tallentaa tietoja LabVIEW -ohjelmaan! Muuta simuloidun EKG: n taajuutta ja amplitudia nähdäksesi, miten se vaikuttaa tallennettuihin tietoihisi. Kun muutat taajuutta, sinun pitäisi nähdä muutos lasketussa sykkeessä. Olet onnistuneesti suunnitellut EKG: n ja sykemittarin!

Vaihe 8: Lisäparannuksia

Rakennettu laite toimii hyvin simuloitujen EKG -signaalien vastaanottamiseen. Jos kuitenkin haluat tallentaa biologisia signaaleja (muista noudattaa asianmukaisia turvatoimenpiteitä), piireihin on tehtävä lisämuutoksia signaalin lukemisen parantamiseksi. Ylipäästösuodatin tulisi lisätä DC -poikkeaman ja matalataajuisten liikeartefaktien poistamiseksi. Instrumenttivahvistimen vahvistusta tulisi myös pienentää kymmenkertaiseksi, jotta se pysyy LabVIEW- ja op -vahvistimien käyttöalueella.

Lähteet

[1] S. Meek ja F. Morris,”Johdanto. II-perus terminologia.”, BMJ, voi. 324, ei. 7335, s. 470–3, helmikuu 2002.

[2] Chia-Hung Lin, Taajuusalueominaisuudet EKG-sykkeen syrjintään harmaaseen suhteellisuusanalyysiin perustuvan luokittelijan avulla, In Computers & Mathematics with Applications, Volume 55, Issue 4, 2008, Sivut 680-690, ISSN 0898-1221, [3]”Toisen asteen suodatin | Toisen asteen alipäästösuodatin.” Elektroniikan perusoppaat, 9. syyskuuta 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…