Biosähköisten signaalien tallentaminen: EKG ja sykemittari: 7 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 oikeita eristystekniikoita.

Elektrokardiogrammi (EKG) on testi, jossa pintaelektrodit asetetaan kohteeseen määrätyllä tavalla havaitakseen ja mitatakseen kohteen sydämen sähköisen aktiivisuuden [1]. EKG: llä on monia käyttötarkoituksia, ja se voi auttaa sydänsairauksien diagnosoinnissa, stressitestissä ja havainnoinnissa leikkauksen aikana. EKG voi myös havaita muutoksia sydämenlyönteissä, rytmihäiriöitä, sydänkohtauksen ja monia muita kokemuksia ja sairauksia [1], jotka on myös kuvattu yllä olevassa ongelmanilmaisussa. EKG: llä mitattu sydänsignaali tuottaa kolme erillistä aaltomuotoa, jotka kuvaavat toimivan sydämen elävää syötettä, jotka näkyvät yllä olevassa kuvassa.

Tämän projektin tavoitteena on luoda laite, joka voi vastaanottaa EKG -signaalin lähtögeneraattorilta tai ihmiseltä ja toistaa signaalin poistamalla kohinaa. Järjestelmän lähtö laskee myös BPM: n.

Aloitetaan!

Vaihe 1: Kerää kaikki materiaalit

Tämän EKG: n luomiseksi luomme järjestelmän, joka koostuu kahdesta pääosasta, piiristä ja LabVIEW -järjestelmästä. Piirin tarkoitus on varmistaa, että saamme haluamamme signaalin. On paljon ympäröivää kohinaa, joka voi tukahduttaa EKG -signaalimme, joten meidän on vahvistettava signaaliamme ja suodattettava kaikki melut. Kun signaali on suodatettu ja vahvistettu piirin läpi, voimme lähettää hienostuneen signaalin LabVIEW -ohjelmaan, joka näyttää aaltomuodon ja laskee BPM: n. Tätä hanketta varten tarvitaan seuraavat materiaalit:

-Vastus, kondensaattori ja operaatiovahvistin (op -vahvistimet -UA741) sähkökomponentit

-Juottamaton leipälauta rakentamiseen ja testaamiseen

-DC-virtalähde virtalähteen tuottamiseksi op-vahvistimille

-Toimintogeneraattori toimittamaan biosähköistä signaalia

-Skilloskooppi tulosignaalin tarkastelemiseksi

-DAQ -kortti muuntaa signaalin analogisesta digitaaliseksi

-LABVIEW -ohjelmisto lähtösignaalin tarkkailuun

-BNC ja muuttuvat pääkaapelit

Vaihe 2: Piirin suunnittelu

Kuten juuri keskustelimme, on tarpeen suodattaa ja vahvistaa signaaliamme. Tätä varten voimme perustaa 3 eri piiriämme. Ensinnäkin meidän on vahvistettava signaaliamme. Tämä voidaan tehdä käyttämällä instrumenttivahvistinta. Tällä tavalla tulosignaalimme näkyy paljon paremmin lopputuotteessa. Tämän instrumentointivahvistimen kanssa meillä on sitten oltava lovisuodatin sarjassa. Lovisuodatinta käytetään poistamaan melu virtalähteestämme. Sen jälkeen meillä voi olla alipäästösuodatin. Koska EKG -lukemat ovat yleensä matalataajuisia, haluamme katkaista kaikki taajuudet, jotka eivät ole EKG -lukurajoillamme, joten käytämme alipäästösuodatinta. Nämä vaiheet selitetään tarkemmin seuraavissa vaiheissa.

Jos sinulla on ongelmia piirisi kanssa, on parasta simuloida piiri online -ohjelmassa. Tällä tavalla voit tarkistaa, ovatko vastuksen ja kondensaattorin arvot oikein.

Vaihe 3: Instrumentointivahvistimen suunnittelu

Jotta biosähköistä signaalia voitaisiin tarkkailla tehokkaammin, signaalia on vahvistettava. Tässä projektissa kokonaisvoitto on 1000 V/V. Jotta instrumentointivahvistimesta saataisiin vahvistettu vahvistus, piirin vastusarvot laskettiin seuraavilla yhtälöillä:

(Vaihe 1) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(Vaihe 2) K2 = -R4 / R3

Jos jokainen vaihe kerrotaan kokonaisvahvistuksen laskemiseksi. Vastusarvot, jotka on valittu 1000 V/V vahvistuksen luomiseksi, ovat R1 = 10 kOhm, R2 = 150 kOhm, R3 = 10 kOhm ja R4 = 330 kOhm. Käytä tasavirtalähdettä antaaksesi jännitealueen +/- 15 V (pitäen virtarajan alhaisena) fyysisen piirin op-vahvistimien virran saamiseksi. Jos haluat tarkistaa vastuksen todelliset arvot tai saavuttaa tämän vahvistuksen ennen rakentamista, voit simuloida piiriä käyttämällä ohjelmaa, kuten PSpice tai CircuitLab online, tai käyttää oskilloskooppia tietyn tulosignaalin jännitteellä ja tarkistaa oikea voittoa fyysisen vahvistimen rakentamisen jälkeen. Liitä toimintogeneraattori ja oskilloskooppi vahvistimeen piirin käyttämiseksi.

Yllä oleva kuva kuvaa, miltä piiri näyttää PSpice -simulointiohjelmistolla. Tarkistaaksesi, että piirisi toimii oikein, syötä 1 kHz: n 10 mV: n huippu-huippu-siniaalto toimintogeneraattorista, piirin läpi ja oskilloskoopille. Oskilloskoopilla on havaittava 10 V: n huippu-huippu-siniaalto.

Vaihe 4: Lovisuodattimen suunnittelu

Erityinen ongelma tämän piirin käsittelyssä on se, että Yhdysvaltojen virtalähteet tuottavat 60 Hz: n kohinasignaalin. Tämän melun poistamiseksi piirin tulosignaali on suodatettava 60 Hz: n taajuudella, ja mikä olisi parempi tapa tehdä se kuin lovisuodatin!

Lovisuodatin (yllä kuvattu piiri) on tietyn tyyppinen sähköinen suodatin, jota voidaan käyttää tietyn taajuuden poistamiseen signaalista. 60 Hz: n signaalin poistamiseksi laskimme seuraavat yhtälöt:

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

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

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Käyttämällä laatutekijää (Q) 8 suunnitellakseen kohtuullisen tarkka suodatin, 0,033 uFaradin kapasitanssi (C) asennuksen helpottamiseksi ja keskitaajuus (w) 2 * pi * 60 Hz. Tämä laski onnistuneesti arvot vastuksille R1 = 5,024 kOhm, R2 = 1,2861 MOhms ja R3 = 5,004 kOhm, ja loi onnistuneesti suodattimen, joka poistaa 60 Hz: n taajuuden syötetystä biosähköisestä signaalista. Jos haluat tarkistaa suodattimen, voit simuloida piiriä käyttämällä ohjelmaa, kuten PSpice tai CircuitLab online, tai käyttää oskilloskooppia tietyn tulosignaalin jännitteellä ja tarkistaa poistetun signaalin fyysisen vahvistimen rakentamisen jälkeen. Liitä toimintogeneraattori ja oskilloskooppi vahvistimeen piirin käyttämiseksi.

AC-pyyhkäisyn suorittaminen tällä piirillä taajuuksilla 1 Hz-1 kHz 1 V: n huippu-huippusignaalilla pitäisi tuottaa "lovi" -tyyppinen ominaisuus 60 Hz: llä lähtökaaviossa, joka poistetaan tulosta signaali.

Vaihe 5: Alipäästösuodattimen suunnittelu

Piirin viimeinen vaihe on alipäästösuodatin, erityisesti toisen asteen Butterworthin alipäästösuodatin. Tätä käytetään EKG -signaalin eristämiseen. EKG -aaltomuodot ovat yleensä 0–100 Hz: n taajuusrajoilla. Joten laskemme vastuksen ja kondensaattorin arvot 100 Hz: n rajataajuuden ja laatukertoimen 8 perusteella, mikä antaisi meille suhteellisen tarkan suodattimen.

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

Laskemamme arvot olivat R1 = 81,723 kOhms, R2 = 120,92 kOHms, C1 = 0,1 mikroFaradia ja C2 = 0,045 mikroFaradia. Kytke virta vahvistimiin tasavirralla + ja - 15 V. Jos haluat tarkistaa suodattimen, voit simuloida piiriä käyttämällä ohjelmaa, kuten PSpice tai CircuitLab online, tai käyttää oskilloskooppia, jolla on annettu tulosignaalin jännite, ja tarkistaa poistetun signaalin fyysisen vahvistimen rakentamisen jälkeen. Liitä toimintogeneraattori ja oskilloskooppi vahvistimeen piirin käyttämiseksi. Katkaisutaajuudella sinun pitäisi nähdä suuruus -3 dB. Tämä osoittaa, että piirisi toimii oikein.

Vaihe 6: LabVIEW -asetusten määrittäminen

Nyt kun piiri on luotu, haluamme pystyä tulkitsemaan signaalimme. Tätä varten voimme käyttää LabVIEW -ohjelmaa. DAQ -avustajaa voidaan käyttää signaalin vastaanottamiseen piiristä. Kun olet avannut LabVIEW: n, aseta piiri yllä olevan kaavion mukaisesti. DAQ -avustaja ottaa tämän tulolukeman piiristä ja signaali siirtyy aaltomuodon kuvaajaan. Tämän avulla voit nähdä EKG -aaltomuodon!

Seuraavaksi haluamme laskea BPM: n. Yllä oleva asetus tekee tämän puolestasi. Ohjelma toimii ottamalla ensin tulevan EKG -signaalin maksimiarvot. Kynnysarvon avulla voimme havaita kaikki tulevat uudet arvot, jotka saavuttavat prosenttiosuuden maksimiarvostamme (tässä tapauksessa 90%). Näiden arvojen sijainnit lähetetään sitten indeksointitaulukkoon. Koska indeksointi alkaa nollasta, haluamme ottaa 0 ja 1 pisteen ja laskea niiden välisen ajan muutoksen. Tämä antaa meille lyöntien välisen ajan. Sitten ekstrapoloimme tiedot löytääksemme BPM: n. Tämä tehdään erityisesti kertomalla dt -elementin lähtö ja vähennyslasku kahden indeksin sisältävän taulukon arvon välillä ja jakamalla sitten 60: llä (koska muunnamme minuutteiksi).

Vaihe 7: Yhdistä kaikki ja testaa

Liitä piiri DAQ -kortin tuloon. Nyt syöttämäsi signaali kulkee piirin kautta DAQ -kortille ja LabVIEW -ohjelma lähettää aaltomuodon ja lasketun BPM: n.

Onnittelut!