Zbuduj własne EKG!: 10 kroków

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

To nie jest urządzenie medyczne. 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 odpowiednie techniki izolacji

Bicie serca składa się z rytmicznych skurczów regulowanych spontaniczną prezentacją elektrycznych depolaryzacji w miocytach sercowych (komórkach mięśniowych serca). Taką aktywność elektryczną można zarejestrować, umieszczając nieinwazyjne elektrody rejestrujące w różnych pozycjach ciała. Nawet przy wstępnym zrozumieniu obwodów i bioelektryczności sygnały te można stosunkowo łatwo wychwycić. W tej instrukcji przedstawiamy uproszczoną metodologię, którą można wykorzystać do przechwytywania sygnału elektrokardiograficznego za pomocą praktycznego i niedrogiego sprzętu. W całym tekście przedstawimy istotne kwestie związane z akwizycją takich sygnałów oraz przedstawimy techniki programowej analizy sygnałów.

Krok 1: Przegląd funkcji

Urządzenie, które budujesz, będzie działać dzięki następującym funkcjom:

1. Nagrania elektrodowe
2. Wzmacniacz oprzyrządowania
3. Filtr wycinający
4. Filtr dolnoprzepustowy
5. Konwersja analogowo-cyfrowa
6. Analiza sygnału za pomocą LabView

Niektóre kluczowe elementy, których będziesz potrzebować:

1. NI LabView
2. Płytka akwizycji danych NI (dla wejść do LabView)
3. Zasilanie DC (do zasilania wzmacniaczy operacyjnych)
4. Elektrody skórne do rejestracji elektrod
5. LUB generator funkcji, który może wytworzyć symulowany sygnał EKG

Zacznijmy!

Krok 2: Zaprojektuj filtr dolnoprzepustowy

Normalny EKG zawiera możliwe do zidentyfikowania cechy w przebiegu sygnału zwanym załamkiem P, zespołem QRS i załamkiem T. Wszystkie cechy EKG pojawią się w zakresie częstotliwości poniżej 250 Hz, dlatego ważne jest, aby uchwycić tylko interesujące cechy podczas rejestrowania EKG z elektrod. Filtr dolnoprzepustowy o częstotliwości odcięcia 250 Hz zapewni, że w sygnale nie zostaną wychwycone żadne szumy o wysokiej częstotliwości

Krok 3: Zaprojektuj filtr wycinający

Filtr wycinający o częstotliwości 60 Hz jest przydatny do usuwania szumów z dowolnego źródła zasilania związanego z zapisem EKG. Częstotliwości odcięcia od 56,5 Hz do 64 Hz pozwolą na przechodzenie sygnałów o częstotliwościach spoza tego zakresu. Do filtra zastosowano współczynnik jakości równy 8. Wybrano pojemność 0,1 uF. Rezystory doświadczalne dobrano następująco: R1=R3=1,5 kOhm, R2=502 kOhm. Te wartości zostały wykorzystane do skonstruowania filtra wycinającego.

Krok 4: Zaprojektuj wzmacniacz oprzyrządowania

Wzmacniacz instrumentalny o wzmocnieniu 1000 V/V wzmocni wszystkie filtrowane sygnały, aby ułatwić pomiar. Wzmacniacz wykorzystuje szereg wzmacniaczy operacyjnych i jest podzielony na dwa stopnie (lewy i prawy) z odpowiednimi wzmocnieniami K1 i K2. Powyższy obrazek przedstawia schemat obwodów, które mogą osiągnąć ten wynik, a Rysunek 6 przedstawia szczegółowo wykonane obliczenia.

Krok 5: Połącz wszystko razem

Trzy etapy amplifikacji i filtrowania są połączone na rysunku 7 poniżej. Wzmacniacz instrumentalny wzmacnia wejście częstotliwości sinusoidalnej ze wzmocnieniem 1000 V/V. Następnie filtr wycinający usuwa wszystkie sygnały o częstotliwości 60 Hz ze współczynnikiem jakości 8. Na koniec sygnał przechodzi przez filtr dolnoprzepustowy, który tłumi sygnały o częstotliwości przekraczającej 250 Hz. Powyższy rysunek przedstawia pełny system stworzony eksperymentalnie.

Krok 6: …i upewnij się, że to działa

Jeśli masz generator funkcji, powinieneś skonstruować krzywą odpowiedzi częstotliwościowej, aby zapewnić właściwą odpowiedź. Powyższy obrazek pokazuje cały system i krzywą pasma przenoszenia, której należy się spodziewać. Jeśli Twój system wydaje się działać, możesz przejść do następnego kroku: konwersji sygnału analogowego na cyfrowy!

Krok 7: (Opcjonalnie) Wizualizuj swoje EKG na oscyloskopie

EKG rejestruje sygnał za pomocą dwóch elektrod i wykorzystuje trzecią elektrodę jako uziemienie. Za pomocą elektrod rejestrujących EKG włóż jedną do jednego wejścia wzmacniacza oprzyrządowania, drugą do drugiego wejścia wzmacniacza oprzyrządowania, a trzecią podłącz do uziemienia na płytce stykowej. Następnie umieść jedną elektrodę na jednym nadgarstku, a drugą na drugim nadgarstku i przyłóż do kostki. Jest to konfiguracja odprowadzenia 1 dla EKG. Aby zwizualizować sygnał na oscyloskopie, użyj sondy oscyloskopowej do pomiaru wyjścia trzeciego stopnia.

Krok 8: Uzyskaj dane za pomocą National Instruments DAQ

Jeśli chcesz analizować swój sygnał w LabView, będziesz potrzebować sposobu na zebranie danych analogowych z EKG i przesłanie ich do komputera. Istnieje wiele sposobów pozyskiwania danych! National Instruments to firma specjalizująca się w urządzeniach do akwizycji danych i urządzeniach do analizy danych. Są dobrym miejscem do szukania narzędzi do zbierania danych. Możesz także kupić własny, niedrogi układ konwertera analogowo-cyfrowego i użyć Raspberry Pi do transmisji sygnału! To prawdopodobnie tańsza opcja. W tym przypadku mieliśmy już w domu moduł NI DAQ, NI ADC i LabView, więc trzymaliśmy się wyłącznie sprzętu i oprogramowania National Instruments.

Krok 9: Importuj dane do LabVIEW

Do analizy danych zebranych z analogowego systemu wzmacniania/filtrowania wykorzystano wizualny język programowania LabVIEW. Dane zostały zebrane z jednostki NI DAQ za pomocą DAQ Assistant, wbudowanej funkcji zbierania danych w LabVIEW. Korzystając z kontrolek LabView, liczba próbek i czas trwania pobierania próbek zostały określone programowo. Elementy sterujące są ręcznie regulowane, co pozwala użytkownikowi z łatwością dostroić parametry wejściowe. Mając znaną całkowitą liczbę próbek i czas trwania, utworzono wektor czasu z każdą wartością indeksu reprezentującą odpowiedni czas w każdej próbce w przechwyconym sygnale.

Krok 10: Formatuj, analizuj i gotowe

Dane z funkcji asystenta DAQ zostały przekonwertowane do użytecznego formatu. Sygnał został odtworzony jako jednowymiarowa tablica dublerów, najpierw konwertując typ danych wyjściowych DAQ na typ danych falowych, a następnie konwertując do pary klastrów (X, Y) w klastrach. Każda wartość Y z pary (X, Y) została wybrana i wstawiona do początkowo pustej tablicy jednowymiarowej dublerów za pomocą struktury pętli. Na wykresie XY wykreślono jednowymiarową tablicę podwojeń i odpowiadający jej wektor czasowy. Jednocześnie maksymalna wartość tablicy 1D dubletów została zidentyfikowana z funkcją identyfikacji wartości maksymalnej. Sześć dziesiątych wartości maksymalnej zostało użytych jako próg dla algorytmu wykrywania pików wbudowanego w LabView. Wartości szczytowe tablicy 1D sobowtórów zidentyfikowano za pomocą funkcji wykrywania pików. Mając znane lokalizacje pików, obliczono różnicę czasu pomiędzy każdym pikem. Ta różnica czasu, w jednostkach sekund na szczyt, została przeliczona na wartości szczytowe na minutę. Uznano, że otrzymana wartość reprezentuje częstość akcji serca w uderzeniach na minutę.

Otóż to! Zebrałeś i przeanalizowałeś sygnał EKG!