Registrering av bioelektriske signaler: EKG og pulsmåler: 7 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 for ekte EKG-målinger, må du kontrollere at kretsen og krets-til-instrument-tilkoblingene bruker riktige isolasjonsteknikker.

Et elektrokardiogram (EKG) er en test der overflateelektroder plasseres på et motiv på en spesifisert måte for å oppdage og måle den elektriske aktiviteten til individets hjerte [1]. Et EKG har mange bruksområder og kan fungere for å diagnostisere hjertesykdommer, stresstester og observasjon under operasjonen. EKG kan også oppdage endringer i hjerteslag, arytmier, hjerteinfarkt og mange andre erfaringer og sykdommer [1] som også er beskrevet i problemformuleringen ovenfor. Hjertesignalet målt ved et EKG produserer tre forskjellige bølgeformer som viser en levende strøm av det fungerende hjertet. Disse er vist på bildet ovenfor.

Målet med dette prosjektet er å lage en enhet som kan hente EKG -signalet fra en utgangsgenerator eller et menneske og reprodusere signalet samtidig som det eliminerer støy. Utgangen fra systemet vil også beregne BPM.

La oss komme i gang!

Trinn 1: Samle alt materiale

For å lage dette EKG vil vi lage et system som består av to hoveddeler, kretsen og LabVIEW -systemet. Formålet med kretsen er å sørge for at vi får signalet vi ønsker. Det er mye omgivelsesstøy som kan overdøve EKG -signalet vårt, så vi må forsterke signalet vårt og filtrere bort støy. Etter at signalet er filtrert og forsterket gjennom kretsen, kan vi sende det raffinerte signalet til et LabVIEW -program som vil vise bølgeformen samt beregne BPM. Følgende materialer er nødvendige for dette prosjektet:

-Motstand, kondensator og operasjonsforsterker (op -ampere -UA741 ble brukt) elektriske komponenter

-Lodderfritt brødbrett for bygging og testing

-DC strømforsyning for å gi strøm til op-ampere

-Funksjonsgenerator for å levere bioelektrisk signal

-Oscilloskop for å se inngangssignal

-DAQ -kort for å konvertere signal fra analogt til digitalt

-LabVIEW programvare for observasjon av utgangssignal

-BNC og variable endeledninger

Trinn 2: Design kretsen

Som vi nettopp diskuterte, er det nødvendig å både filtrere og forsterke signalet vårt. For å gjøre dette kan vi sette opp 3 forskjellige stadier av kretsen vår. Først må vi forsterke signalet vårt. Dette kan gjøres ved å bruke en instrumenteringsforsterker. På denne måten kan vårt inngangssignal sees mye bedre i sluttproduktet. Vi må da ha et hakkfilter i serie med denne instrumenteringsforsterkeren. Hakkfilteret vil bli brukt til å eliminere støy fra strømkilden vår. Etter det kan vi ha et lavpassfilter. Siden EKG -avlesninger vanligvis er lavfrekvente, ønsker vi å kutte av alle frekvenser som har en frekvens som er utenfor EKG -lesingsgrensene våre, så vi bruker et lavpassfilter. Disse stadiene forklares mer detaljert i de følgende trinnene.

Hvis du har problemer med kretsen din, er det best å simulere kretsen din i et online program. På denne måten kan du sjekke om beregningene for motstands- og kondensatorverdier er riktige.

Trinn 3: Designe instrumentasjonsforsterkeren

For å observere det bioelektriske signalet mer effektivt, må signalet forsterkes. For dette prosjektet er det å oppnå totalt sett 1000 V/V. For å nå den spesifiserte forsterkningen fra instrumenteringsforsterkeren, ble motstandsverdiene for kretsen beregnet med følgende ligninger:

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

(Trinn 2) K2 = -R4 / R3

Hvor hvert av trinnene multipliseres for å beregne den samlede gevinsten. Motstandsverdier valgt for å skape en forsterkning på 1000 V/V er R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms og R4 = 330 kOhms. Bruk likestrømforsyningen til å gi et spenningsområde på +/- 15 V (holde strømgrensen lav) for å drive den fysiske kretsens op-ampere. Hvis du ønsker å sjekke sanne verdier for motstandene, eller ønsker å oppnå denne gevinsten før du bygger, kan du simulere kretsen ved hjelp av et program som PSpice eller CircuitLab online, eller bruke et oscilloskop med et gitt inngangssignal spenning og se etter den sanne gevinst etter å ha bygd en fysisk forsterker. Koble funksjonsgeneratoren og oscilloskopet til forsterkeren for å kjøre kretsen.

Bildet ovenfor viser hvordan kretsen ser ut i simuleringsprogramvaren PSpice. For å kontrollere at kretsen din fungerer som den skal, må du levere en 1 kHz 10 mV sinusbølge fra topp til topp fra funksjonsgeneratoren, gjennom kretsen og til oscilloskopet. En 10 V topp-til-topp sinusbølge bør observeres på oscilloskopet.

Trinn 4: Utforming av hakkfilter

Et spesifikt problem ved håndtering av denne kretsen er det faktum at et 60 Hz støysignal produseres av strømforsyningslinjer i USA. For å fjerne denne støyen må inngangssignalet til kretsen filtreres ved 60 Hz, og hvilken bedre måte å gjøre det på enn med et hakkfilter!

Et hakkfilter (kretsen vist ovenfor) er en bestemt type elektrisk filter som kan brukes til å fjerne en bestemt frekvens fra et signal. For å fjerne 60 Hz -signalet, beregnet 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 å bruke en kvalitetsfaktor (Q) på 8 for å designe et anstendig nøyaktig filter, en kapasitans (C) på 0,033 uFarads for enklere montering og en senterfrekvens (w) på 2 * pi * 60 Hz. Dette beregnet verdier for motstandene R1 = 5,024 kOhms, R2 = 1,2861 MOhms og R3 = 5,004 kOhms, og opprettet et filter for å fjerne en 60 Hz frekvens fra det inngående bioelektriske signalet. Hvis du vil sjekke filteret, kan du simulere kretsen ved hjelp av et program som PSpice eller CircuitLab online, eller bruke et oscilloskop med et gitt inngangssignalspenning og se etter det fjernede signalet etter å ha bygget en fysisk forsterker. Koble funksjonsgeneratoren og oscilloskopet til forsterkeren for å kjøre kretsen.

Å utføre en vekselstrømssvep med denne kretsen over et frekvensområde fra 1 Hz til 1 kHz ved et 1 V topp-til-topp-signal, bør gi en "hakk" -type ved 60 Hz i utgangsplottet, som fjernes fra inngangen signal.

Trinn 5: Design lavpassfilteret

Den siste fasen av kretsen er lavpassfilteret, spesielt et andreordens Butterworth lavpassfilter. Dette brukes til å isolere EKG -signalet vårt. EKG -bølgeformer er vanligvis innenfor frekvensgrensene på 0 til ~ 100 Hz. Så vi beregner våre motstands- og kondensatorverdier basert på grensefrekvensen på 100 Hz og en kvalitetsfaktor på 8, noe som ville gi oss et relativt nøyaktig 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

Verdiene som vi beregnet endte med å være R1 = 81,723kOhms, R2 = 120,92kOHms, C1 = 0,1 microFarads og C2 = 0,045 microFarads. Slå på forsterkerne med en likestrømsspenning på + og - 15V. Hvis du vil sjekke filteret, kan du simulere kretsen ved hjelp av et program som PSpice eller CircuitLab online, eller bruke et oscilloskop med et gitt inngangssignalspenning og se etter det fjernede signalet etter å ha bygget en fysisk forsterker. Koble funksjonsgeneratoren og oscilloskopet til forsterkeren for å kjøre kretsen. Ved grensefrekvensen bør du se en størrelse på -3 dB. Dette indikerer at kretsen din fungerer som den skal.

Trinn 6: Konfigurere LabVIEW

Nå som kretsen er opprettet, ønsker vi å kunne tolke signalet vårt. For å gjøre dette kan vi bruke LabVIEW. En DAQ -assistent kan brukes til å hente signalet fra kretsen. Etter å ha åpnet LabVIEW, sett opp kretsen som vist i diagrammet ovenfor. DAQ -assistenten tar denne inndataavlesningen fra kretsen, og signalet går til kurven for kurven. Dette lar deg se EKG -kurven!

Deretter vil vi beregne BPM. Oppsettet ovenfor vil gjøre dette for deg. Programmet fungerer ved først å ta maksverdiene for det innkommende EKG -signalet. Terskelverdien lar oss oppdage alle de nye verdiene som kommer inn som når en prosentandel av vår maksimale verdi (i dette tilfellet 90%). Plasseringen av disse verdiene sendes deretter til indekseringsgruppen. Siden indeksering begynner på 0, ønsker vi å ta det niende og første punktet og beregne endringen i tid mellom dem. Dette gir oss tiden mellom slagene. Vi ekstrapolerer deretter dataene for å finne BPM. Nærmere bestemt gjøres dette ved å multiplisere utgangen fra dt -elementet og utgangen fra subtraksjonen mellom de to verdiene i indekseringsarrayene, og deretter dividere med 60 (siden vi konverterer til minutter).

Trinn 7: Koble til alt og test det ut

Koble kretsen til inngangen til DAQ -kortet. Nå vil signalet du sender inn gå gjennom kretsen til DAQ -kortet, og LabVIEW -programmet sender ut bølgeformen og den beregnede BPM.

Gratulerer!