Registrering af bioelektriske signaler: EKG og pulsmåler: 7 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 rigtige EKG-målinger, skal du sikre dig, at kredsløbet og kredsløbet til instrumentforbindelserne anvender korrekte isolationsteknikker.

Et elektrokardiogram (EKG) er en test, hvor overfladeelektroder placeres på et emne på en bestemt måde for at detektere og måle den elektriske aktivitet i motivets hjerte [1]. Et EKG har mange anvendelsesmuligheder og kan fungere som hjælp til diagnosticering af hjertesygdomme, stresstest og observation under operationen. Et EKG kan også registrere ændringer i hjerteslag, arytmier, et hjerteanfald og mange andre oplevelser og sygdomme [1], der også er beskrevet i problemformuleringen ovenfor. Hjertesignalet målt ved et EKG producerer tre forskellige bølgeformer, der viser et levende feed af det fungerende hjerte. Disse er vist på billedet ovenfor.

Formålet med dette projekt er at skabe en enhed, der kan hente EKG -signalet fra en outputgenerator eller et menneske og gengive signalet, samtidig med at støj elimineres. Systemets output beregner også BPM.

Lad os komme igang!

Trin 1: Saml alle materialer

For at oprette dette EKG vil vi oprette et system, der består af to hoveddele, kredsløbet og LabVIEW -systemet. Formålet med kredsløbet er at sikre, at vi får det signal, vi ønsker. Der er meget omgivende støj, der kan overdøve vores EKG -signal, så vi skal forstærke vores signal samt filtrere enhver støj fra. Efter at signalet er blevet filtreret og forstærket gennem kredsløbet, kan vi sende det raffinerede signal til et LabVIEW -program, der viser bølgeformen samt beregner BPM. Følgende materialer er nødvendige for dette projekt:

-Resistor, kondensator og operationsforstærker (op -ampere -UA741 blev brugt) elektriske komponenter

-Lodløst brødbræt til opbygning og test

-DC strømforsyning til at levere strøm til op-ampere

-Funktionsgenerator til levering af bioelektrisk signal

-Oscilloskop for at se indgangssignal

-DAQ -kort til at konvertere signal fra analog til digital

-LabVIEW software til observation af output signal

-BNC og variable endekabler

Trin 2: Design af kredsløbet

Som vi lige har diskuteret, er det nødvendigt at både filtrere og forstærke vores signal. For at gøre dette kan vi oprette 3 forskellige faser af vores kredsløb. Først skal vi forstærke vores signal. Dette kan gøres ved at bruge en instrumenteringsforstærker. På denne måde kan vores indgangssignal ses meget bedre i det endelige produkt. Vi skal derefter have et hakfilter i serie med denne instrumenteringsforstærker. Hakfilteret bruges til at fjerne støj fra vores strømkilde. Derefter kan vi have et lavpasfilter. Da EKG -aflæsninger normalt er lavfrekvente, ønsker vi at afbryde alle frekvenser, der ligger ved en frekvens, der er uden for vores EKG -læsegrænser, så vi bruger et lavpasfilter. Disse faser forklares mere detaljeret i de følgende trin.

Hvis du har problemer med dit kredsløb, er det bedst at simulere dit kredsløb i et online program. På denne måde kan du kontrollere, om dine beregninger for modstands- og kondensatorværdier er korrekte.

Trin 3: Design af instrumentforstærkeren

For at observere det bioelektriske signal mere effektivt skal signalet forstærkes. For dette projekt er gevinst for at opnå samlet set 1000 V/V. For at nå den angivne forstærkning fra instrumentforstærkeren blev modstandsværdierne for kredsløbet beregnet med følgende ligninger:

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

(Trin 2) K2 = -R4 / R3

Hvor hvert af trinene multipliceres for at beregne den samlede gevinst. Modstandsværdier valgt for at skabe en forstærkning på 1000 V/V er R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms og R4 = 330 kOhms. Brug jævnstrømforsyningen til at give et spændingsområde på +/- 15 V (holde strømgrænsen lav) til at drive op-ampere i det fysiske kredsløb. Hvis du vil kontrollere modstandernes sande værdier eller ønsker at opnå denne forstærkning før du bygger, kan du simulere kredsløbet ved hjælp af et program som PSpice eller CircuitLab online eller bruge et oscilloskop med et givet indgangssignal spænding og kontrollere for det sande gevinst efter opbygning af en fysisk forstærker. Tilslut funktionsgeneratoren og oscilloskopet til forstærkeren for at køre kredsløbet.

Billedet ovenfor viser, hvordan kredsløbet ser ud i simuleringssoftware PSpice. For at kontrollere, at dit kredsløb fungerer korrekt, skal du levere en 1 kHz 10 mV sinusbølge fra top til top fra funktionsgeneratoren, gennem kredsløbet og til oscilloskopet. En 10 V top-to-peak sinusbølge bør observeres på oscilloskopet.

Trin 4: Design af Notch Filter

Et specifikt problem ved håndtering af dette kredsløb er det faktum, at et 60 Hz støjsignal produceres af strømforsyningslinjer i USA. For at fjerne denne støj skal indgangssignalet i kredsløbet filtreres ved 60 Hz, og hvilken bedre måde at gøre det på end med et hakfilter!

Et hakfilter (kredsløbet afbildet ovenfor) er en bestemt type elektrisk filter, der kan bruges til at fjerne en bestemt frekvens fra et signal. For at fjerne 60 Hz -signalet beregnede vi følgende ligninger:

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

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

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

Q = m / B

B = w2 - w1

Ved hjælp af en kvalitetsfaktor (Q) på 8 til at designe et anstændigt nøjagtigt filter, en kapacitans (C) på 0,033 uFarads for lettere montering og en centerfrekvens (w) på 2 * pi * 60 Hz. Dette beregnede værdier for modstandene R1 = 5,024 kOhms, R2 = 1,2861 MOhms og R3 = 5,004 kOhms og skabte med succes et filter for at fjerne en 60 Hz frekvens fra det input bioelektriske signal. Hvis du vil kontrollere filteret, kan du simulere kredsløbet ved hjælp af et program som PSpice eller CircuitLab online, eller bruge et oscilloskop med en given indgangssignalspænding og kontrollere for det fjernede signal efter opbygning af en fysisk forstærker. Tilslut funktionsgeneratoren og oscilloskopet til forstærkeren for at køre kredsløbet.

Udførelse af en AC-sweep med dette kredsløb over et frekvensområde fra 1 Hz til 1 kHz ved et 1 V peak-to-peak signal bør give en "hak" -typefunktion ved 60 Hz i outputplottet, som fjernes fra input signal.

Trin 5: Design af lavpasfilteret

Det sidste trin i kredsløbet er lavpasfilteret, specifikt et andet ordens Butterworth lavpasfilter. Dette bruges til at isolere vores EKG -signal. EKG -kurver ligger normalt inden for frekvensgrænserne på 0 til ~ 100 Hz. Så vi beregner vores modstands- og kondensatorværdier baseret på afskæringsfrekvensen på 100 Hz og en kvalitetsfaktor på 8, hvilket ville give os et relativt nøjagtigt filter.

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

De værdier, vi beregnede, endte med at være R1 = 81,723kOhms, R2 = 120,92kOHms, C1 = 0,1 microFarads og C2 = 0,045 microFarads. Strøm op -forstærkere med en DC -spænding på + og - 15V. Hvis du vil kontrollere filteret, kan du simulere kredsløbet ved hjælp af et program som PSpice eller CircuitLab online, eller bruge et oscilloskop med en given indgangssignalspænding og kontrollere for det fjernede signal efter opbygning af en fysisk forstærker. Tilslut funktionsgeneratoren og oscilloskopet til forstærkeren for at køre kredsløbet. Ved afskæringsfrekvensen skal du se en størrelse på -3 dB. Dette indikerer, at dit kredsløb fungerer korrekt.

Trin 6: Opsætning af LabVIEW

Nu hvor kredsløbet er blevet oprettet, ønsker vi at kunne fortolke vores signal. For at gøre dette kan vi bruge LabVIEW. En DAQ -assistent kan bruges til at hente signalet fra kredsløbet. Efter åbning af LabVIEW, konfigureres kredsløbet som vist i diagrammet ovenfor. DAQ -assistenten tager denne indlæsning fra kredsløbet, og signalet går til kurven i kurven. Dette giver dig mulighed for at se EKG -kurven!

Dernæst vil vi beregne BPM. Ovenstående opsætning vil gøre dette for dig. Programmet fungerer ved først at tage de maksimale værdier for det indgående EKG -signal. Tærskelværdien lader os registrere alle de nye værdier, der kommer ind, som når en procentdel af vores maksimale værdi (i dette tilfælde 90%). Placeringen af disse værdier sendes derefter til indekseringsarrayet. Da indeksering begynder ved 0, ønsker vi at tage det 0. og 1. punkt og beregne ændringen i tid mellem dem. Dette giver os tiden mellem slagene. Vi ekstrapolerer derefter disse data for at finde BPM. Dette gøres specifikt ved at multiplicere output fra dt -elementet og output fra subtraktionen mellem de to værdier i indekseringsarrayerne og derefter dividere med 60 (da vi konverterer til minutter).

Trin 7: Tilslut det hele, og test det

Tilslut kredsløbet til indgangen på DAQ -kortet. Nu vil det signal, du indtaster, gå gennem kredsløbet til DAQ -kortet, og LabVIEW -programmet udsender bølgeformen og den beregnede BPM.

Tillykke!