Cyfrowy EKG i pulsometr: 8 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:32

UWAGA: To nie jest wyrób medyczny. Służy to wyłącznie celom edukacyjnym przy użyciu symulowanych sygnałów. Jeśli używasz tego obwodu do rzeczywistych pomiarów EKG, upewnij się, że obwód i połączenia między obwodem a przyrządem wykorzystują energię baterii i inne właściwe techniki izolacji

Elektrokardiogram (EKG) rejestruje sygnały elektryczne podczas cyklu pracy serca. Za każdym razem, gdy serce bije, następuje cykl depolaryzacji i hiperpolaryzacji komórek mięśnia sercowego. Depolaryzacja i hiperpolaryzacja mogą być rejestrowane przez elektrody, a lekarze czytają te informacje, aby dowiedzieć się więcej o funkcjonowaniu serca. EKG może określić zawał mięśnia sercowego, migotanie przedsionków lub komór, tachykardię i bradykardię [1]. Po ustaleniu, na czym polega problem na podstawie EKG, lekarze mogą z powodzeniem zdiagnozować i leczyć pacjenta. Wykonaj poniższe czynności, aby dowiedzieć się, jak wykonać własne urządzenie do zapisu elektrokardiogramu!

Krok 1: Materiały

Elementy obwodu:

• Pięć wzmacniaczy operacyjnych UA741
• Rezystory
• Kondensatory
• Przewody połączeniowe
• Tablica DAQ
• Oprogramowanie LabVIEW

Wyposażenie testowe:

• Generator funkcyjny
• zasilacz
• Oscyloskop
• Kable BNC i rozdzielacz T
• Kable rozruchowe
• Zaciski krokodylkowe
• Wtyki bananowe

Krok 2: Wzmacniacz oprzyrządowania

Pierwszym stopniem obwodu jest wzmacniacz oprzyrządowania. Wzmacnia to sygnał biologiczny, dzięki czemu można rozróżnić różne składniki EKG.

Schemat obwodu wzmacniacza oprzyrządowania pokazano powyżej. Wzmocnienie pierwszego stopnia tego obwodu jest zdefiniowane jako K1 = 1 + 2*R2 / R1. Wzmocnienie drugiego stopnia obwodu jest zdefiniowane jako K2 = R4 / R3. Całkowite wzmocnienie wzmacniacza instrumentacyjnego wynosi K1 * K2. Pożądane wzmocnienie dla tego projektu wynosiło około 1000, więc K1 wybrano na 31, a K2 na 33. Wartości rezystorów dla tych wzmocnień pokazano powyżej na schemacie obwodu. Możesz użyć wartości rezystorów pokazanych powyżej lub zmodyfikować wartości, aby osiągnąć pożądane wzmocnienie.**

Po wybraniu wartości komponentów, obwód można zbudować na płytce prototypowej. Aby uprościć połączenia obwodów na płytce stykowej, ujemna pozioma szyna na górze została ustawiona jako uziemienie, podczas gdy dwie poziome szyny na dole zostały ustawione odpowiednio na +/- 15 V.

Pierwszy wzmacniacz operacyjny został umieszczony po lewej stronie płytki stykowej, aby pozostawić miejsce na wszystkie pozostałe komponenty. Załączniki zostały dodane w porządku chronologicznym szpilek. Ułatwia to śledzenie, które elementy zostały dodane lub nie. Gdy wszystkie piny są gotowe dla wzmacniacza operacyjnego 1, można umieścić następny wzmacniacz operacyjny. Ponownie upewnij się, że jest stosunkowo blisko, aby zostawić miejsce. Ten sam chronologiczny proces pinów został ukończony dla wszystkich wzmacniaczy operacyjnych, aż do ukończenia wzmacniacza instrumentacyjnego.

Następnie do schematu obwodu dodano kondensatory obejściowe, aby pozbyć się sprzężenia AC w przewodach. Kondensatory te zostały umieszczone równolegle z zasilaniem DC i uziemione na górnej poziomej szynie ujemnej. Kondensatory te powinny mieścić się w zakresie od 0,1 do 1 mikrofarada. Każdy wzmacniacz operacyjny ma dwa kondensatory obejściowe, jeden dla styku 4 i jeden dla styku 7. Dwa kondensatory na każdym wzmacniaczu operacyjnym muszą mieć tę samą wartość, ale mogą się różnić w zależności od wzmacniacza operacyjnego.

W celu przetestowania wzmocnienia generator funkcyjny i oscyloskop zostały połączone odpowiednio z wejściem i wyjściem wzmacniacza. Sygnał wejściowy był również podłączony do oscyloskopu. Do określenia wzmocnienia wykorzystano prostą sinusoidę. Wprowadź wyjście generatora funkcji do dwóch zacisków wejściowych wzmacniacza pomiarowego. Ustaw oscyloskop na pomiar stosunku sygnału wyjściowego do sygnału wejściowego. Wzmocnienie obwodu w decybelach to Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). Dla wzmocnienia 1000, zysk w decybelach wynosi 60dB. Korzystając z oscyloskopu, możesz określić, czy wzmocnienie zbudowanego obwodu spełnia twoje wymagania, czy też musisz zmienić niektóre wartości rezystorów, aby poprawić swój obwód.

Gdy wzmacniacz instrumentacji jest prawidłowo zmontowany i działa, możesz przejść do filtra wycinającego.

**Na powyższym schemacie połączeń R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 =R42

Krok 3: Filtr wycinający

Zadaniem filtra wycinającego jest usuwanie szumów z zasilacza ściennego 60 Hz. Filtr wycinający tłumi sygnał na częstotliwości odcięcia i przepuszcza częstotliwości powyżej i poniżej. Dla tego obwodu pożądana częstotliwość odcięcia wynosi 60 Hz.

Równaniami rządzącymi dla schematu obwodu pokazanego powyżej są R1 = 1 /(2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) i R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), gdzie Q to współczynnik jakości, a w to 2 * pi * (częstotliwość odcięcia). Współczynnik jakości 8 daje wartości rezystorów i kondensatorów w rozsądnym zakresie. Można założyć, że wszystkie wartości kondensatorów są takie same. W ten sposób możesz wybrać wartość kondensatora dostępną w twoich zestawach. Wartości rezystorów pokazane w powyższym obwodzie dotyczą częstotliwości odcięcia 60 Hz, współczynnika jakości 8 i wartości kondensatora 0,22 uF.

Ponieważ kondensatory sumują się równolegle, dwa kondensatory o wybranej wartości C zostały umieszczone równolegle, aby uzyskać wartość 2C. Do wzmacniacza operacyjnego dodano także kondensatory obejściowe.

Aby przetestować filtr wycinający, połącz wyjście generatora funkcji z wejściem filtra wycinającego. Obserwuj wejście i wyjście obwodu na oscyloskopie. Aby mieć skuteczny filtr wycinający, powinieneś mieć wzmocnienie mniejsze lub równe -20dB na częstotliwości odcięcia. Ponieważ komponenty nie są idealne, może to być trudne do osiągnięcia. Obliczone wartości rezystorów i kondensatorów mogą nie dać pożądanego wzmocnienia. Będzie to wymagało wprowadzenia zmian w wartościach rezystora i kondensatora.

Aby to zrobić, skup się na jednym komponencie na raz. Zwiększaj i zmniejszaj wartość jednego składnika bez zmiany innych. Obserwuj wpływ, jaki ma to na wzmocnienie obwodu. Może to wymagać dużo cierpliwości, aby osiągnąć pożądany zysk. Pamiętaj, że możesz dodawać rezystory szeregowo, aby zwiększyć lub zmniejszyć wartości rezystorów. Zmianą, która najbardziej poprawiła nasze wzmocnienie, było zwiększenie jednego z kondensatorów do 0,33 uF.

Krok 4: Filtr dolnoprzepustowy

Filtr dolnoprzepustowy usuwa szum o wyższej częstotliwości, który może zakłócać sygnał EKG. Odcięcie dolnoprzepustowe 40 Hz jest wystarczające do przechwycenia informacji o przebiegu EKG. Jednak niektóre składniki EKG przekraczają 40 Hz. Można również zastosować odcięcie 100 Hz lub 150 Hz [2].

Skonstruowany filtr dolnoprzepustowy to filtr Butterwortha drugiego rzędu. Ponieważ wzmocnienie naszego obwodu jest określane przez wzmacniacz oprzyrządowania, chcemy uzyskać wzmocnienie 1 w paśmie filtra dolnoprzepustowego. Dla wzmocnienia 1, RA jest zwarty, a RB jest otwarty na powyższym schemacie obwodu [3]. W obwodzie C1 = 10 / (fc) uF, gdzie fc jest częstotliwością odcięcia. C1 powinno być mniejsze lub równe C2 * a^2 / (4 * b). Dla filtru Butterwortha drugiego rzędu, a = sqrt(2) i b = 1. Wstawiając wartości dla a i b, równanie dla C2 upraszcza się do wartości mniejszej lub równej C1 / 2. Wtedy R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt(a^2 *C2 ^2 - 4 *b * C1 * C2))] i R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), gdzie w = 2 *pi * fc. Obliczenia dla tego obwodu zostały ukończone w celu zapewnienia odcięcia 40 Hz. Wartości rezystorów i kondensatorów, które spełniają te specyfikacje, są pokazane na powyższym schemacie obwodu.

Wzmacniacz operacyjny został umieszczony po prawej stronie płytki stykowej, ponieważ po nim nie zostaną dodane żadne inne komponenty. Rezystory i kondensatory zostały dodane do wzmacniacza operacyjnego w celu uzupełnienia obwodu. Do wzmacniacza operacyjnego dodano również kondensatory obejściowe. Zacisk wejściowy pozostawiono pusty, ponieważ wejście będzie pochodzić z sygnału wyjściowego filtra wycinającego. Jednak do celów testowych na styku wejściowym umieszczono przewód, aby móc odizolować filtr dolnoprzepustowy i przetestować go indywidualnie.

Fala sinusoidalna z generatora funkcji została wykorzystana jako sygnał wejściowy i obserwowana przy różnych częstotliwościach. Obserwuj zarówno sygnały wejściowe, jak i wyjściowe na oscyloskopie i określ wzmocnienie obwodu przy różnych częstotliwościach. W przypadku filtra dolnoprzepustowego wzmocnienie przy częstotliwości odcięcia powinno wynosić -3 dB. Dla tego obwodu odcięcie powinno nastąpić przy 40 Hz. Częstotliwości poniżej 40 Hz powinny mieć niewielkie lub żadne tłumienie w ich przebiegu, ale wraz ze wzrostem częstotliwości powyżej 40 Hz wzmocnienie powinno nadal spadać.

Krok 5: Montaż etapów obwodu

Po zbudowaniu każdego etapu obwodu i przetestowaniu go niezależnie, można je wszystkie połączyć. Wyjście wzmacniacza pomiarowego należy połączyć z wejściem filtra wycinającego. Wyjście filtra wycinającego należy połączyć z wejściem filtra dolnoprzepustowego.

Aby przetestować obwód, podłącz wejście generatora funkcyjnego do wejścia stopnia wzmacniacza oprzyrządowania. Obserwuj wejście i wyjście obwodu na oscyloskopie. Możesz testować za pomocą zaprogramowanej fali EKG z generatora funkcji lub za pomocą fali sinusoidalnej i obserwować efekty swojego obwodu. Na powyższym obrazie oscyloskopowym żółta krzywa jest przebiegiem wejściowym, a zielona krzywa wyjściowa.

Po podłączeniu wszystkich etapów obwodu i wykazaniu, że działa poprawnie, możesz podłączyć wyjście swojego obwodu do płyty DAQ i rozpocząć programowanie w LabVIEW.

Krok 6: Program LabVIEW

Kod LabVIEW służy do wykrywania uderzeń na metr z symulowanej fali EKG o różnych częstotliwościach. Aby programować w LabVIEW musisz najpierw zidentyfikować wszystkie komponenty. Konwerter analogowo-cyfrowy, znany również jako płyta akwizycji danych (DAQ), musi być skonfigurowany i ustawiony do pracy ciągłej. Sygnał wyjściowy z układu jest podłączony do wejścia płytki DAQ. Wykres przebiegu w programie LabVIEW jest podłączony bezpośrednio do wyjścia asystenta DAQ. Wyjście z danych DAQ trafia również do identyfikatora max/min. Sygnał przechodzi następnie przez operator arytmetyczny mnożenia. Wskaźnik liczbowy 0,8 służy do obliczenia wartości progowej. Gdy sygnał przekroczy 0,8*Maksimum, wykryty zostanie szczyt. Za każdym razem, gdy ta wartość została znaleziona, była przechowywana w tablicy indeksów. Dwa punkty danych są przechowywane w tablicy indeksów i wprowadzane do operatora arytmetycznego odejmowania. Stwierdzono zmianę w czasie między tymi dwiema wartościami. Następnie, aby obliczyć tętno, 60 dzieli się przez różnicę czasu. Wskaźnik numeryczny, który jest wyświetlany obok wykresu wyjściowego, wyświetla tętno w uderzeniach na minutę (bpm) sygnału wejściowego. Po skonfigurowaniu programu wszystko powinno zostać umieszczone w ciągłej pętli while. Różne wejścia częstotliwości dają różne wartości bpm.

Krok 7: Zbierz dane EKG

Teraz możesz wprowadzić symulowany sygnał EKG do swojego obwodu i rejestrować dane w swoim programie LabVIEW! Zmień częstotliwość i amplitudę symulowanego EKG, aby zobaczyć, jak wpływa to na zarejestrowane dane. Gdy zmieniasz częstotliwość, powinieneś zobaczyć zmianę obliczonego tętna. Udało Ci się zaprojektować EKG i pulsometr!

Krok 8: Dalsze ulepszenia

Skonstruowane urządzenie sprawdzi się przy akwizycji symulowanych sygnałów EKG. Jeśli jednak chcesz rejestrować sygnały biologiczne (należy przestrzegać odpowiednich środków ostrożności), należy wprowadzić dalsze modyfikacje w obwodach, aby poprawić odczyt sygnału. Należy dodać filtr górnoprzepustowy, aby usunąć przesunięcie DC i artefakty ruchu o niskiej częstotliwości. Wzmocnienie wzmacniacza oprzyrządowania powinno również zostać zmniejszone dziesięciokrotnie, aby utrzymać się w zakresie użytecznym dla LabVIEW i wzmacniaczy operacyjnych.

Źródła

[1] S. Meek i F. Morris, „Wprowadzenie. II – podstawowa terminologia,”BMJ, t. 324, nie. 7335, s. 470-3, luty 2002.

[2] Chia-Hung Lin, Funkcje w dziedzinie częstotliwości dla rozróżniania uderzeń EKG przy użyciu klasyfikatora opartego na analizie szarości, In Computers & Mathematics with Applications, tom 55, wydanie 4, 2008, strony 680-690, ISSN 0898-1221, [3] „Filtr drugiego rzędu | Konstrukcja filtra dolnoprzepustowego drugiego rzędu”. Basic Electronics Tutorials, 9 września 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…