Digital EKG og pulsmåler: 8 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:25

MERKNAD: Dette er ikke et medisinsk utstyr. Dette er kun for utdanningsformål ved bruk av simulerte signaler. Hvis du bruker denne kretsen til ekte EKG-målinger, må du kontrollere at kretsen og krets-til-instrument-tilkoblingene bruker batteristrøm og andre riktige isolasjonsteknikker

Et elektrokardiogram (EKG) registrerer elektriske signaler under hjertesyklusen. Hver gang hjertet slår, er det en syklus med depolarisering og hyperpolarisering av myokardceller. Depolariseringen og hyperpolariseringen kan registreres av elektroder, og leger leser denne informasjonen for å lære mer om hvordan hjertet fungerer. Et EKG kan bestemme hjerteinfarkt, atrieflimmer eller ventrikkelflimmer, takykardi og bradykardi [1]. Etter å ha fastslått hva problemet er fra EKG, kan leger med hell diagnostisere og behandle pasienten. Følg trinnene nedenfor for å lære hvordan du lager din egen elektrokardiogramopptaksenhet!

Trinn 1: Materialer

Kretskomponenter:

• Fem operasjonsforsterkere UA741
• Motstander
• Kondensatorer
• Jumper ledninger
• DAQ -styre
• LabVIEW programvare

Testutstyr:

• Funksjonsgenerator
• DC strømforsyning
• Oscilloskop
• BNC-kabler og T-splitter
• Hoppekabler
• Alligator klipp
• Bananplugger

Trinn 2: Instrumentasjonsforsterker

Den første fasen av kretsen er en instrumenteringsforsterker. Dette forsterker det biologiske signalet slik at de forskjellige komponentene i EKG kan skilles.

Kretsdiagrammet for instrumenteringsforsterkeren er vist ovenfor. Den første trinnforsterkningen i denne kretsen er definert som K1 = 1 + 2*R2 / R1. Kretsens andre trinnforsterkning er definert som K2 = R4 / R3. Den samlede gevinsten til instrumenteringsforsterkeren er K1 * K2. Ønsket forsterkning for dette prosjektet var omtrent 1000, så K1 ble valgt til å være 31 og K2 ble valgt til å være 33. Motstandsverdier for disse gevinstene er vist ovenfor i kretsdiagrammet. Du kan bruke motstandsverdiene som er vist ovenfor, eller du kan endre verdiene for å oppnå ønsket forsterkning. **

Når du har valgt komponentverdiene, kan kretsen konstrueres på brødbrettet. For å forenkle kretsforbindelsene på brødbrettet ble den negative horisontale skinnen på toppen satt som jord mens de to horisontale skinnene på bunnen var satt til henholdsvis +/- 15V.

Den første op -forsterkeren ble plassert på venstre side av brødbrettet for å gi plass til alle gjenværende komponenter. Vedlegg ble lagt til i kronologisk rekkefølge av pinnene. Dette gjør det lettere å holde oversikt over hvilke stykker som er lagt til eller ikke. Når alle pinnene er fullført for op amp 1, kan den neste op amperen plasseres. Igjen, sørg for at den er relativt nær for å forlate plass. Den samme kronologiske pin -prosessen ble fullført for alle op -forsterkere til instrumenteringsforsterkeren var fullført.

Omløpskondensatorer ble deretter lagt til i tillegg til kretsdiagrammet for å bli kvitt vekselstrømskoblingen i ledningene. Disse kondensatorene ble satt parallelt med likestrømsspenningen og jordet på den øvre horisontale negative skinnen. Disse kondensatorene bør være i området 0,1 til 1 microFarad. Hver op amp har to bypass kondensatorer, en for pin 4 og en for pin 7. De to kondensatorene på hver op amp må ha samme verdi, men kan variere fra op amp til op amp.

For å teste forsterkningen ble en funksjonsgenerator og et oscilloskop koblet henholdsvis inngangen og utgangen til forsterkeren. Inngangssignalet ble også koblet til oscilloskopet. En enkel sinusbølge ble brukt for å bestemme forsterkning. Legg inn funksjonsgeneratorutgangen i de to inngangsterminalene på instrumenteringsforsterkeren. Still inn oscilloskopet for å måle forholdet mellom utgangssignal og inngangssignal. Gevinsten til en krets i desibel er Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). For en gevinst på 1000 er gevinsten i desibel 60dB. Ved å bruke oscilloskopet kan du avgjøre om gevinsten til den konstruerte kretsen din oppfyller spesifikasjonene dine, eller om du må endre noen motstandsverdier for å forbedre kretsen.

Når instrumenteringsforsterkeren er riktig montert og fungerer, kan du gå videre til hakkfilteret.

** I kretsdiagrammet ovenfor, R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Trinn 3: Hakkfilter

Formålet med hakkfilteret er å fjerne støy fra 60 Hz veggstrømforsyningen. Et hakkfilter demper signalet ved cutoff -frekvensen, og passerer frekvenser over og under det. For denne kretsen er ønsket cutoff -frekvens 60 Hz.

De styrende ligningene for kretsdiagrammet 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 * (cutoff -frekvens). En kvalitetsfaktor på 8 gir motstands- og kondensatorverdier i et rimelig område. Kondensatorverdiene kan antas å være de samme. Dermed kan du velge en kondensatorverdi som er tilgjengelig i settene dine. Motstandsverdiene vist i kretsen ovenfor er for en cutoff -frekvens på 60 Hz, en kvalitetsfaktor på 8 og en kondensatorverdi på 0,22 uF.

Siden kondensatorer tilføyer parallelt, ble to kondensatorer med den valgte verdien C plassert parallelt for å oppnå en verdi på 2C. Også bypass -kondensatorer ble lagt til op -forsterkeren.

For å teste hakkfilteret, koble utgangen fra funksjonsgeneratoren til inngangen til hakkfilteret. Observer inngang og utgang fra kretsen på et oscilloskop. For å ha et effektivt hakkfilter, bør du ha en forsterkning på mindre enn eller lik -20dB ved cutoff -frekvensen. Siden komponentene ikke er ideelle, kan dette være vanskelig å oppnå. De beregnede motstands- og kondensatorverdiene gir deg kanskje ikke ønsket gevinst. Dette vil kreve at du gjør endringer i motstands- og kondensatorverdiene.

For å gjøre det, fokuser du på en komponent om gangen. Øk og reduser verdien til en enkelt komponent uten å endre noen andre. Vær oppmerksom på effektene dette har på kretsens forsterkning. Dette kan kreve mye tålmodighet for å oppnå ønsket gevinst. Husk at du kan legge til motstander i serie for å øke eller redusere motstandsverdiene. Endringen som forbedret vår gevinst mest var å øke en av kondensatorene til 0,33 uF.

Trinn 4: Lavpassfilter

Lavpassfilteret fjerner støy med høyere frekvens som kan forstyrre EKG -signalet. En lavpass -cutoff på 40 Hz er tilstrekkelig for å fange EKG -bølgeforminformasjon. Noen komponenter i EKG overstiger imidlertid 40 Hz. En 100 Hz eller 150 Hz cutoff kan også brukes [2].

Lavpassfilteret som er konstruert, er et andreordens Butterworth -filter. Siden forsterkningen i kretsen vår bestemmes av instrumenteringsforsterkeren, ønsker vi en forsterkning på 1 i båndet for lavpassfilteret. For en forsterkning på 1 er RA kortsluttet og RB er åpen kretset i kretsdiagrammet ovenfor [3]. I kretsen er C1 = 10 / (fc) uF, hvor fc er cutoff -frekvensen. C1 skal være mindre enn eller lik C2 * a^2 / (4 * b). For en andre ordens Butterworth -filter, a = sqrt (2) og b = 1. Ved å plugge inn verdier for a og b, forenkles ligningen for C2 til mindre enn eller lik C1 / 2. Deretter 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 denne kretsen ble fullført for å gi en cutoff på 40Hz. Motstands- og kondensatorverdier som oppfyller disse spesifikasjonene er vist i kretsdiagrammet ovenfor.

Op -forsterkeren ble plassert på høyre side av brødbrettet siden ingen andre komponenter vil bli lagt til etter den. Motstander og kondensatorer ble lagt til op -forsterkeren for å fullføre kretsen. Bypass -kondensatorer ble også lagt til op -forsterkeren. Inngangsterminalen ble stående tom siden inngangen kommer fra hakkfilterutgangssignalet. For testformål ble det imidlertid plassert en ledning ved inngangspinnen for å kunne isolere lavpassfilteret og teste det individuelt.

En sinusbølge fra funksjonsgeneratoren ble brukt som inngangssignal og observert ved forskjellige frekvenser. Observer både inngangs- og utgangssignalene på et oscilloskop og bestem forsterkningen til kretsen ved forskjellige frekvenser. For et lavpassfilter bør forsterkningen ved avbruddsfrekvensen være -3db. For denne kretsen bør avbruddet skje ved 40 Hz. Frekvenser under 40Hz bør ha liten eller ingen demping i bølgeformen, men ettersom frekvensen øker over 40 Hz, bør forsterkningen fortsette å rulle av.

Trinn 5: Montering av kretsstadier

Når du har konstruert hvert trinn i kretsen og testet dem uavhengig, kan du koble dem alle sammen. Utgangen til instrumenteringsforsterkeren bør kobles til inngangen til hakkfilteret. Utgangen til hakkfilteret bør kobles til inngangen til lavpassfilteret.

For å teste kretsen, koble funksjonsgeneratorinngangen til inngangen til instrumenteringsforsterker -trinnet. Observer inngang og utgang fra kretsen på et oscilloskop. Du kan teste med en forhåndsprogrammert EKG-bølge fra funksjonsgeneratoren, eller med en sinusbølge og observere effekten av kretsen din. I oscilloskopbildet ovenfor er den gule kurven inngangsbølgeformen, og den grønne kurven er utgangen.

Når du har koblet alle kretsfaser og vist at den fungerer som den skal, kan du koble utgangen til kretsen din til DAQ -kortet og begynne å programmere i LabVIEW.

Trinn 6: LabVIEW -program

LabVIEW -koden er å oppdage slagene per meter fra en simulert EKG -bølge ved forskjellige frekvenser. For å programmere i LabVIEW må du først identifisere alle komponentene. En analog til digital omformer, også kjent som datainnsamlingskortet (DAQ), må konfigureres og settes til å kjøre kontinuerlig. Utgangssignalet fra kretsen er koblet til inngangen til DAQ -kortet. Bølgeformgrafen i LabVIEW -programmet er koblet direkte til utgangen til DAQ -assistenten. Utdataene fra DAQ -dataene går også til maks/min -identifikatoren. Signalet går deretter gjennom en multiplikasjonsaritmetisk operator. Den numeriske indikatoren på 0,8 brukes til å beregne terskelverdien. Når signalet overstiger 0,8*maksimum, oppdages en topp. Hver gang denne verdien ble funnet, ble den lagret i indeksmatrisen. De to datapunktene er lagret i indeksmatrisen og blir lagt inn i subtraksjon aritmetisk operator. Endringen i tid ble funnet mellom disse to verdiene. For å beregne hjertefrekvensen, er 60 dividert med tidsforskjellen. En numerisk indikator, som vises ved siden av utgangsgrafen, sender ut pulsen i slag per minutt (bpm) av inngangssignalet. Når programmet er konfigurert, bør det settes inne i en kontinuerlig mens -loop. Ulike frekvensinnganger gir forskjellige bpm -verdier.

Trinn 7: Samle EKG -data

Nå kan du legge inn et simulert EKG -signal i kretsen din og registrere data i LabVIEW -programmet! Endre frekvensen og amplituden til det simulerte EKG for å se hvordan det påvirker de registrerte dataene dine. Når du endrer frekvens, bør du se en endring i den beregnede pulsen. Du har vellykket designet et EKG og pulsmåler!

Trinn 8: Ytterligere forbedringer

Den konstruerte enheten vil fungere godt for å hente simulerte EKG -signaler. Imidlertid, hvis du vil registrere biologiske signaler (sørg for å følge passende sikkerhetstiltak), bør ytterligere endringer gjøres i kretsene for å forbedre signalavlesningen. Et høypassfilter bør legges til for å fjerne DC -forskyvning og lavfrekvente bevegelsesartefakter. Gevinsten til instrumenteringsforsterkeren bør også reduseres ti ganger for å holde seg innenfor bruksområdet for LabVIEW og op -forsterkere.

Kilder

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

[2] Chia-Hung Lin, frekvensdomenefunksjoner for EKG-diskriminering ved bruk av grå relasjonsanalysebasert klassifikator, In Computers & Mathematics with Applications, bind 55, utgave 4, 2008, sider 680-690, ISSN 0898-1221, [3] “Andreordens filter | Andre ordens lavpasfilterdesign.” Grunnleggende elektronikkopplæring, 9. september 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…