Nagrywanie sygnałów bioelektrycznych: EKG i pulsometr: 7 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 odpowiednie techniki izolacji.

Elektrokardiogram (EKG) to test, w którym elektrody powierzchniowe są umieszczane na osobie w określony sposób, aby wykryć i zmierzyć aktywność elektryczną serca pacjenta [1]. EKG ma wiele zastosowań i może pomóc w diagnozowaniu chorób serca, testach wysiłkowych i obserwacji podczas operacji. EKG może również wykryć zmiany w bicie serca, zaburzenia rytmu serca, zawał serca i wiele innych doświadczeń i chorób [1] również opisanych w powyższym opisie problemu. Sygnał serca mierzony za pomocą EKG wytwarza trzy różne krzywe, które przedstawiają żywą energię funkcjonującego serca. Przedstawiono je na powyższym obrazku.

Celem tego projektu jest stworzenie urządzenia, które może uzyskać sygnał EKG z generatora wyjściowego lub człowieka i odtworzyć ten sygnał, eliminując jednocześnie szum. Dane wyjściowe systemu obliczą również BPM.

Zacznijmy!

Krok 1: Zbierz wszystkie materiały

Aby stworzyć to EKG, stworzymy system składający się z dwóch głównych części, obwodu i systemu LabVIEW. Zadaniem obwodu jest upewnienie się, że otrzymujemy pożądany sygnał. Istnieje wiele szumów otoczenia, które mogą zagłuszyć nasz sygnał EKG, więc musimy wzmocnić nasz sygnał, a także odfiltrować wszelkie szumy. Po przefiltrowaniu i wzmocnieniu sygnału przez obwód, możemy wysłać dopracowany sygnał do programu LabVIEW, który wyświetli przebieg oraz obliczy BPM. Do tego projektu niezbędne są następujące materiały:

-Rezystor, kondensator i wzmacniacz operacyjny (użyto wzmacniaczy operacyjnych - UA741) elementy elektryczne

-Płytka stykowa bez lutowania do budowy i testowania

-Zasilacz DC zapewniający zasilanie wzmacniaczy operacyjnych;

-Generator funkcyjny do dostarczania sygnału bioelektrycznego

-Oscyloskop do wyświetlania sygnału wejściowego

-Płyta DAQ do konwersji sygnału z analogowego na cyfrowy;

-Oprogramowanie LabVIEW do obserwacji sygnału wyjściowego

-Kable BNC i zmienne końcówki końcowe

Krok 2: Projektowanie obwodu

Jak już wspomnieliśmy, konieczne jest zarówno filtrowanie, jak i wzmacnianie naszego sygnału. W tym celu możemy ustawić 3 różne etapy naszego obwodu. Najpierw musimy wzmocnić nasz sygnał. Można to zrobić za pomocą wzmacniacza oprzyrządowania. W ten sposób nasz sygnał wejściowy jest znacznie lepiej widoczny w finalnym produkcie. Potrzebujemy wtedy mieć filtr wycinający połączony szeregowo z tym wzmacniaczem instrumentacyjnym. Filtr wycinający posłuży do wyeliminowania szumów z naszego źródła zasilania. Potem możemy mieć filtr dolnoprzepustowy. Ponieważ odczyty EKG mają zwykle niską częstotliwość, chcemy odciąć wszystkie częstotliwości, które znajdują się na częstotliwości, która wykracza poza nasze granice odczytu EKG, dlatego używamy filtra dolnoprzepustowego. Te etapy są wyjaśnione bardziej szczegółowo w kolejnych krokach.

Jeśli masz problemy ze swoim obwodem, najlepiej zasymuluj swój obwód w programie online. W ten sposób możesz sprawdzić, czy twoje obliczenia wartości rezystorów i kondensatorów są poprawne.

Krok 3: Projektowanie wzmacniacza oprzyrządowania

Aby skuteczniej obserwować sygnał bioelektryczny, sygnał musi zostać wzmocniony. W przypadku tego projektu do uzyskania całkowitego zysku do osiągnięcia jest 1000 V/V. Aby osiągnąć określone wzmocnienie wzmacniacza pomiarowego, wartości rezystancji obwodu obliczono według następujących równań:

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

(Etap 2) K2 = -R4 / R3

Gdzie każdy z etapów jest mnożony w celu obliczenia całkowitego wzmocnienia. Wartości rezystora wybrane w celu uzyskania wzmocnienia 1000 V/V to R1 = 10 kOhm, R2 = 150 kOhm, R3 = 10 kOhm i R4 = 330 kOhm. Użyj zasilacza prądu stałego, aby zapewnić zakres napięcia +/- 15 V (utrzymując niski limit prądu) do zasilania wzmacniaczy operacyjnych obwodu fizycznego. Jeśli chcesz sprawdzić prawdziwe wartości rezystorów lub chcesz osiągnąć to wzmocnienie przed budowaniem, możesz zasymulować obwód za pomocą programu takiego jak PSpice lub CircuitLab online lub użyć oscyloskopu z danym napięciem sygnału wejściowego i sprawdzić prawdziwość zysk po zbudowaniu fizycznego wzmacniacza. Podłącz generator funkcyjny i oscyloskop do wzmacniacza, aby uruchomić obwód.

Powyższe zdjęcie pokazuje, jak wygląda obwód w oprogramowaniu symulacyjnym PSpice. Aby sprawdzić, czy obwód działa prawidłowo, należy dostarczyć falę sinusoidalną 1 kHz 10 mV międzyszczytową z generatora funkcyjnego przez obwód i do oscyloskopu. Na oscyloskopie powinna być obserwowana sinusoida 10 V międzyszczytowa.

Krok 4: Projektowanie filtra wycinającego

Specyficznym problemem w przypadku tego układu jest fakt, że sygnał szumu 60 Hz jest wytwarzany przez linie zasilające w Stanach Zjednoczonych. Aby usunąć ten szum, sygnał wejściowy do układu musi być filtrowany z częstotliwością 60 Hz, a czy jest to lepszy sposób niż filtr wycinający!

Filtr wycinający (obwód przedstawiony powyżej) to pewien rodzaj filtra elektrycznego, którego można użyć do usunięcia określonej częstotliwości z sygnału. Aby usunąć sygnał 60 Hz, obliczyliśmy następujące równania:

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

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

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Używając współczynnika jakości (Q) 8 do zaprojektowania przyzwoicie dokładnego filtra, pojemności (C) 0,033 uFaradów dla łatwiejszego montażu i częstotliwości środkowej (w) 2 * pi * 60 Hz. W ten sposób pomyślnie obliczono wartości dla rezystorów R1 = 5,024 kOhm, R2 = 1,2861 MOhm i R3 = 5,004 kOhm, a także pomyślnie utworzono filtr usuwający częstotliwość 60 Hz z wejściowego sygnału bioelektrycznego. Jeśli chcesz sprawdzić filtr, możesz zasymulować obwód za pomocą programu takiego jak PSpice lub CircuitLab online lub użyć oscyloskopu z danym napięciem sygnału wejściowego i sprawdzić usunięty sygnał po zbudowaniu fizycznego wzmacniacza. Podłącz generator funkcyjny i oscyloskop do wzmacniacza, aby uruchomić obwód.

Wykonanie przemiatania prądem przemiennym z tym obwodem w zakresie częstotliwości od 1 Hz do 1 kHz przy sygnale międzyszczytowym 1 V powinno dawać na wykresie wyjściowym cechę typu „wycięcie” przy 60 Hz, która jest usuwana z wejścia sygnał.

Krok 5: Projektowanie filtra dolnoprzepustowego

Ostatnim etapem obwodu jest filtr dolnoprzepustowy, a konkretnie filtr dolnoprzepustowy Butterwortha drugiego rzędu. Służy do izolowania naszego sygnału EKG. Krzywe EKG zwykle mieszczą się w granicach częstotliwości od 0 do ~100 Hz. Tak więc obliczamy wartości naszych rezystorów i kondensatorów na podstawie częstotliwości odcięcia 100 Hz i współczynnika jakości 8, co dałoby nam stosunkowo dokładny filtr.

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

Obliczone przez nas wartości wyniosły R1 = 81,723 kOhm, R2 = 120,92 kOhm, C1 = 0,1 mikrofaradów i C2 = 0,045 mikrofaradów. Zasilanie wzmacniaczy operacyjnych napięciem stałym + i - 15V. Jeśli chcesz sprawdzić filtr, możesz zasymulować obwód za pomocą programu takiego jak PSpice lub CircuitLab online lub użyć oscyloskopu z danym napięciem sygnału wejściowego i sprawdzić usunięty sygnał po zbudowaniu fizycznego wzmacniacza. Podłącz generator funkcyjny i oscyloskop do wzmacniacza, aby uruchomić obwód. Przy częstotliwości odcięcia powinieneś zobaczyć wielkość -3 dB. Oznacza to, że twój obwód działa poprawnie.

Krok 6: Konfiguracja LabVIEW

Teraz, gdy obwód został utworzony, chcemy móc zinterpretować nasz sygnał. W tym celu możemy wykorzystać LabVIEW. Asystent DAQ może być użyty do pozyskania sygnału z obwodu. Po otwarciu LabVIEW, skonfiguruj obwód, jak pokazano na powyższym schemacie. Asystent DAQ pobierze ten odczyt z obwodu i sygnał trafi do wykresu przebiegu. To pozwoli Ci zobaczyć krzywą EKG!

Następnie chcemy obliczyć BPM. Powyższa konfiguracja zrobi to za Ciebie. Program działa na podstawie najpierw maksymalnych wartości przychodzącego sygnału EKG. Wartość progowa pozwala nam wykryć wszystkie nadchodzące nowe wartości, które osiągną procent naszej maksymalnej wartości (w tym przypadku 90%). Lokalizacje tych wartości są następnie przesyłane do tablicy indeksującej. Ponieważ indeksowanie zaczyna się od 0, chcemy wziąć punkt 0 i 1 i obliczyć zmianę czasu między nimi. To daje nam czas między uderzeniami. Następnie ekstrapolujemy te dane, aby znaleźć BPM. W szczególności odbywa się to poprzez pomnożenie wyniku z elementu dt i wyniku odejmowania między dwiema wartościami w tablicach indeksujących, a następnie podzielenie przez 60 (ponieważ konwertujemy na minuty).

Krok 7: Połącz wszystko i przetestuj

Podłącz obwód do wejścia płytki DAQ. Teraz sygnał, który wprowadzisz, przejdzie przez obwód do płyty DAQ, a program LabVIEW wyśle kształt fali i obliczony BPM.

Gratulacje!