Digital EKG og pulsmåler: 8 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:29

BEMÆRK: Dette er ikke et medicinsk udstyr. Dette er kun til uddannelsesmæssige formål ved hjælp af simulerede signaler. Hvis du bruger dette kredsløb til ægte EKG-målinger, skal du sikre dig, at kredsløbet og kredsløbet til instrumentforbindelserne bruger batteristrøm og andre korrekte isoleringsteknikker

Et elektrokardiogram (EKG) registrerer elektriske signaler under hjertecyklussen. Hver gang hjertet slår, er der en cyklus med depolarisering og hyperpolarisering af myokardceller. Depolariseringen og hyperpolariseringen kan registreres af elektroder, og læger læser denne information for at lære mere om, hvordan hjertet fungerer. Et EKG kan bestemme et myokardieinfarkt, atrieflimmer eller ventrikelflimren, takykardi og bradykardi [1]. Efter at have fastslået, hvad problemet er fra EKG, kan læger med succes diagnosticere og behandle patienten. Følg trinene herunder for at lære, hvordan du laver din egen elektrokardiogramoptagelsesenhed!

Trin 1: Materialer

Kredsløbskomponenter:

• Fem driftsforstærkere UA741
• Modstande
• Kondensatorer
• Jumper ledninger
• DAQ bord
• LabVIEW software

Testudstyr:

• Funktionsgenerator
• DC strømforsyning
• Oscilloskop
• BNC kabler og T-splitter
• Jumper kabler
• Alligator klip
• Bananpropper

Trin 2: Instrumentforstærker

Det første trin i kredsløbet er en instrumenteringsforstærker. Dette forstærker det biologiske signal, så de forskellige komponenter i EKG kan skelnes.

Kredsløbsdiagrammet for instrumentforstærkeren er vist ovenfor. Den første trinforstærkning af dette kredsløb er defineret som K1 = 1 + 2*R2 / R1. Kredsløbets anden trinforøgelse er defineret som K2 = R4 / R3. Den samlede gevinst for instrumentforstærkeren er K1 * K2. Den ønskede gevinst for dette projekt var cirka 1000, så K1 blev valgt til at være 31, og K2 blev valgt til at være 33. Modstandsværdier for disse forstærkninger er vist ovenfor i kredsløbsdiagrammet. Du kan bruge modstandsværdierne vist ovenfor, eller du kan ændre værdierne for at opfylde din ønskede forstærkning. **

Når du har valgt dine komponentværdier, kan kredsløbet konstrueres på brødbrættet. For at forenkle kredsløbstilslutningerne på brødbrættet blev den negative vandrette skinne på toppen sat som jord, mens de to vandrette skinner i bunden var indstillet til at være +/- 15V.

Den første op -forstærker blev placeret på venstre side af brødbrættet for at efterlade plads til alle resterende komponenter. Vedhæftninger blev tilføjet i kronologisk rækkefølge af stifterne. Dette gør det lettere at holde styr på, hvilke stykker der er tilføjet eller ej. Når alle stifterne er færdige til op amp 1, kan den næste op amp placeres. Sørg igen for, at det er relativt tæt for at efterlade plads. Den samme kronologiske pin -proces blev afsluttet for alle op -forstærkere, indtil instrumenteringsforstærkeren var færdig.

Bypass -kondensatorer blev derefter tilføjet ud over kredsløbsdiagrammet for at slippe af med AC -kobling i ledningerne. Disse kondensatorer blev sat parallelt med DC -spændingsforsyningen og jordet på den øverste vandrette negative skinne. Disse kondensatorer skal være i området 0,1 til 1 microFarad. Hver op amp har to bypass kondensatorer, en til pin 4 og en til pin 7. De to kondensatorer på hver op amp skal have samme værdi, men kan variere fra op amp til op amp.

For at teste forstærkning blev en funktionsgenerator og oscilloskop forbundet henholdsvis input og output af forstærkeren. Indgangssignalet var også forbundet med oscilloskopet. En simpel sinusbølge blev brugt til at bestemme forstærkning. Indtast funktionsgeneratorens output i de to indgangsterminaler på instrumentforstærkeren. Indstil oscilloskopet til at måle forholdet mellem output signal til input signal. Forstærkningen af et kredsløb i decibel er Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). For en gevinst på 1000 er gevinsten i decibel 60dB. Ved hjælp af oscilloskopet kan du afgøre, om forstærkningen af dit konstruerede kredsløb opfylder dine specifikationer, eller om du skal ændre nogle modstandsværdier for at forbedre dit kredsløb.

Når instrumenteringsforstærkeren er korrekt samlet og fungerer, kan du gå videre til hakfilteret.

** I ovenstående kredsløbsdiagram er R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Trin 3: Hakfilter

Formålet med hakfilteret er at fjerne støj fra 60 Hz vægforsyningen. Et hakfilter dæmper signalet ved afskæringsfrekvensen og passerer frekvenser over og under det. For dette kredsløb er den ønskede afbrydelsesfrekvens 60 Hz.

De styrende ligninger for kredsløbsdiagrammet vist ovenfor er R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) og R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), hvor Q er kvalitetsfaktor og w er 2 * pi * (afskæringsfrekvens). En kvalitetsfaktor på 8 giver modstands- og kondensatorværdier i et rimeligt område. Kondensatorværdierne kan antages at være de samme. Således kan du vælge en tilgængelig kondensatorværdi i dine kits. Modstandsværdierne vist i kredsløbet ovenfor er for en afbrydelsesfrekvens på 60 Hz, en kvalitetsfaktor på 8 og en kondensatorværdi på 0,22 uF.

Da kondensatorer tilføjes parallelt, blev to kondensatorer med den valgte værdi C placeret parallelt for at opnå en værdi på 2C. Bypass -kondensatorer blev også tilføjet til op -forstærkeren.

For at teste hakfilteret skal du slutte output fra funktionsgeneratoren til indgangen på hakfilteret. Observer input og output af kredsløbet på et oscilloskop. For at have et effektivt hakfilter skal du have en forstærkning på mindre end eller lig med -20dB ved afskæringsfrekvensen. Da komponenterne ikke er ideelle, kan dette være svært at opnå. De beregnede modstande og kondensatorværdier giver dig muligvis ikke den ønskede forstærkning. Dette vil kræve, at du foretager ændringer i modstands- og kondensatorværdierne.

For at gøre det skal du fokusere på en komponent ad gangen. Forøg og reducer værdien af en enkelt komponent uden at ændre andre. Observer de virkninger, dette har på kredsløbets forstærkning. Dette kan kræve meget tålmodighed for at opnå den ønskede gevinst. Husk, at du kan tilføje modstande i serie for at øge eller reducere modstandsværdier. Ændringen, der forbedrede vores gevinst mest, var at øge en af kondensatorerne til 0,33 uF.

Trin 4: Lavpasfilter

Lavpasfilteret fjerner støj med højere frekvens, der kan forstyrre EKG -signalet. En lavpasafbrydelse på 40 Hz er tilstrækkelig til at fange EKG -kurveforminformation. Nogle komponenter i EKG overstiger imidlertid 40 Hz. En 100 Hz eller 150 Hz cutoff kan også bruges [2].

Lavpassfilteret, der er konstrueret, er et andet ordens Butterworth -filter. Da forstærkningen af vores kredsløb bestemmes af instrumentforstærkeren, ønsker vi en forstærkning på 1 inden for båndet for lavpasfilteret. For en forstærkning på 1 kortsluttes RA, og RB åbnes i kredsløbsdiagrammet ovenfor [3]. I kredsløbet er C1 = 10 / (fc) uF, hvor fc er afskæringsfrekvensen. C1 skal være mindre end eller lig med C2 * a^2 / (4 * b). For en anden ordens Butterworth -filter, a = sqrt (2) og b = 1. Ved tilslutning af værdier for a og b forenkles ligningen for C2 til mindre end eller lig med C1 / 2. Derefter R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a^2 * C2^2 - 4 * b * C1 * C2))] og R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), hvor w = 2 * pi * fc. Beregninger for dette kredsløb blev gennemført for at give en afbrydelse på 40Hz. Modstands- og kondensatorværdier, der opfylder disse specifikationer, er vist i ovenstående kredsløbsdiagram.

Op -forstærkeren blev placeret på højre side af brødbrættet, da der ikke tilføjes andre komponenter efter det. Modstande og kondensatorer blev tilføjet til op -forstærkeren for at fuldføre kredsløbet. Bypass -kondensatorer blev også tilføjet til op -forstærkeren. Indgangsterminalen blev efterladt tom, da indgangen kommer fra hakfilterudgangssignalet. Til testformål blev der imidlertid placeret en ledning ved indgangsstiften for at kunne isolere lavpasfilteret og teste det individuelt.

En sinusbølge fra funktionsgeneratoren blev brugt som indgangssignal og observeret ved forskellige frekvenser. Observer både input- og output -signaler på et oscilloskop og bestem kretsens forstærkning ved forskellige frekvenser. For et lavpasfilter skal forstærkningen ved afskæringsfrekvensen være -3db. For dette kredsløb skal afbrydelsen ske ved 40 Hz. Frekvenser under 40Hz bør have ringe eller ingen dæmpning i deres bølgeform, men da frekvensen stiger over 40 Hz, bør forstærkningen fortsætte med at rulle ud.

Trin 5: Montering af kredsløbsfaser

Når du har konstrueret hvert trin i kredsløbet og testet dem uafhængigt, kan du forbinde dem alle. Outputtet fra instrumentforstærkeren skal tilsluttes indgangen på hakfilteret. Outputtet fra hakfilteret skal tilsluttes indgangen til lavpasfilteret.

For at teste kredsløbet skal du slutte funktionsgeneratorindgangen til indgangen på instrumentforstærkerens trin. Observer input og output af kredsløbet på et oscilloskop. Du kan teste med en forprogrammeret EKG-bølge fra funktionsgeneratoren eller med en sinusbølge og observere virkningerne af dit kredsløb. I ovenstående oscilloskopbillede er den gule kurve inputbølgeformen, og den grønne kurve er output.

Når du har tilsluttet alle dine kredsløbstrinn og vist, at det fungerer korrekt, kan du slutte output fra dit kredsløb til DAQ -kortet og begynde at programmere i LabVIEW.

Trin 6: LabVIEW -program

LabVIEW -koden er til at detektere beats per meter fra en simuleret EKG -bølge ved forskellige frekvenser. For at programmere i LabVIEW skal du først identificere alle komponenterne. En analog til digital konverter, også kendt som dataindsamlingskortet (DAQ), skal konfigureres og indstilles til at køre kontinuerligt. Udgangssignalet fra kredsløbet er forbundet til indgangen på DAQ -kortet. Bølgeformgrafen i LabVIEW -programmet er forbundet direkte til DAQ -assistentens output. Outputtet fra DAQ -dataene går også til max/min -id'en. Signalet går derefter gennem en multiplikationsaritmetisk operator. Den numeriske indikator på 0,8 bruges til at beregne tærskelværdien. Når signalet overstiger 0,8*maksimum, registreres en top. Når som helst denne værdi blev fundet, blev den gemt i indeksmatrixen. De to datapunkter gemmes i indeksarrayet og indlæses i den aritmetiske operatør for subtraktion. Ændringen i tid blev fundet mellem disse to værdier. For at beregne pulsen er 60 divideret med tidsforskellen. En numerisk indikator, der vises ved siden af outputgrafen, udsender pulsen i slag pr. Minut (bpm) af indgangssignalet. Når programmet er konfigureret, skal det hele sættes inde i en kontinuerlig while -loop. Forskellige frekvensindgange giver forskellige bpm -værdier.

Trin 7: Indsaml EKG -data

Nu kan du indtaste et simuleret EKG -signal i dit kredsløb og registrere data i dit LabVIEW -program! Skift frekvens og amplitude af det simulerede EKG for at se, hvordan det påvirker dine registrerede data. Når du ændrer frekvens, bør du se en ændring i den beregnede puls. Du har med succes designet et EKG og pulsmåler!

Trin 8: Yderligere forbedringer

Den konstruerede enhed fungerer godt til indsamling af simulerede EKG -signaler. Men hvis du gerne vil registrere biologiske signaler (sørg for at følge passende sikkerhedsforanstaltninger), bør der foretages yderligere ændringer af kredsløbene for at forbedre signalaflæsning. Et højpasfilter skal tilføjes for at fjerne DC -forskydning og lavfrekvente bevægelsesartefakter. Forstærkningen af instrumenteringsforstærkeren bør også reduceres ti gange for at forblive inden for det anvendelige område for LabVIEW og op -forstærkere.

Kilder

[1] S. Meek og F. Morris, “Introduktion. II-grundlæggende terminologi.”BMJ, bind. 324, nr. 7335, s. 470–3, februar 2002.

[2] Chia-Hung Lin, frekvensdomæne-funktioner til EKG-diskriminering ved hjælp af grå relationel analysebaseret klassifikator, In Computers & Mathematics with Applications, Volume 55, Issue 4, 2008, Pages 680-690, ISSN 0898-1221, [3] “Anden ordens filter | Anden ordens lavpasfilterdesign.” Grundlæggende elektroniske selvstudier, 9. september 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…