Zaznamenávanie bioelektrických signálov: EKG a monitor srdcového tepu: 7 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

UPOZORNENIE: Toto nie je zdravotnícky prístroj. Toto je len na vzdelávacie účely pomocou simulovaných signálov. Ak používate tento obvod na skutočné merania EKG, uistite sa, že obvod a pripojenia obvodu k prístroju používajú správnu izolačnú techniku.

Elektrokardiogram (EKG) je test, pri ktorom sa na subjekt určeným spôsobom umiestnia povrchové elektródy, aby sa zistila a zmerala elektrická aktivita srdca subjektu [1]. EKG má mnoho použití a môže fungovať ako pomôcka pri diagnostike srdcových chorôb, stresových testoch a pozorovaní počas operácie. EKG môže tiež zistiť zmeny srdcového rytmu, arytmie, srdcový infarkt a mnoho ďalších skúseností a chorôb [1], ktoré sú popísané aj vo vyššie uvedenom problémovom vyhlásení. Srdcový signál meraný pomocou EKG vytvára tri rôzne priebehy, ktoré zobrazujú živé vysielanie fungujúceho srdca. Tieto sú zobrazené na obrázku vyššie.

Cieľom tohto projektu je vytvoriť zariadenie, ktoré môže získavať signál EKG z výstupného generátora alebo z človeka a reprodukovať signál pri eliminácii šumu. Výstup systému bude tiež počítať BPM.

Začnime!

Krok 1: Zhromaždite všetky materiály

Aby sme vytvorili toto EKG, vytvoríme systém, ktorý sa skladá z dvoch hlavných častí, obvodu a systému LabVIEW. Účelom obvodu je zaistiť, aby sme dostávali požadovaný signál. Existuje veľa okolitého šumu, ktorý môže prehlušiť náš signál EKG, takže musíme signál zosilniť a filtrovať všetok hluk. Potom, čo je signál filtrovaný a zosilnený obvodom, môžeme poslať spresnený signál do programu LabVIEW, ktorý zobrazí priebeh vlny a vypočíta BPM. Na tento projekt sú potrebné nasledujúce materiály:

-Odpor, kondenzátor a operačný zosilňovač (boli použité operačné zosilňovače -UA741) elektrické súčiastky

-Bezpájková doska na stavbu a testovanie

-Napájanie jednosmerným prúdom na zaistenie napájania operačných zosilňovačov

-Funkčný generátor na dodávanie bioelektrického signálu

-Osciloskop na sledovanie vstupného signálu

-DDAQ doska na prevod signálu z analógového na digitálny

-LabVIEW softvér na pozorovanie výstupného signálu

-BNC a káble s variabilným koncom

Krok 2: Navrhovanie obvodu

Ako sme práve diskutovali, je potrebné náš signál filtrovať aj zosilňovať. Aby sme to mohli urobiť, môžeme nastaviť 3 rôzne fázy nášho obvodu. Najprv musíme zosilniť náš signál. To sa dá dosiahnuť pomocou prístrojového zosilňovača. Týmto spôsobom je náš vstupný signál v konečnom produkte oveľa lepšie viditeľný. Potom musíme mať zárezový filter v sérii s týmto prístrojovým zosilňovačom. Zárezový filter bude použitý na elimináciu hluku z nášho zdroja energie. Potom môžeme mať dolnopriepustný filter. Pretože čítania EKG majú zvyčajne nízku frekvenciu, chceme prerušiť všetky frekvencie, ktoré sú na frekvencii, ktorá je mimo našich hraníc čítania EKG, preto používame dolnopriepustný filter. Tieto fázy sú podrobnejšie vysvetlené v nasledujúcich krokoch.

Ak máte problémy s obvodom, je najlepšie ich obvod simulovať v online programe. Týmto spôsobom môžete skontrolovať, či sú vaše výpočty hodnôt odporu a kondenzátora správne.

Krok 3: Návrh zosilňovača prístrojov

Na efektívnejšie sledovanie bioelektrického signálu je potrebné signál zosilniť. Pre tento projekt je dosiahnutie celkového zisku 1 000 V/V. Na dosiahnutie stanoveného zisku zo zosilňovača prístrojov boli hodnoty odporu pre obvod vypočítané podľa nasledujúcich rovníc:

(1. fáza) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(2. fáza) K2 = -R4 / R3

Kde sa každá z fáz vynásobí, aby sa vypočítal celkový zisk. Hodnoty odporu zvolené na vytvorenie zisku 1000 V/V sú R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms a R4 = 330 kOhms. Na napájanie operačných zosilňovačov fyzického obvodu použite zdroj jednosmerného prúdu na dosiahnutie rozsahu napätia +/- 15 V (udržiavajte prúdový limit na nízkej úrovni). Ak chcete skontrolovať skutočné hodnoty rezistorov alebo chcete dosiahnuť tento zisk pred budovaním, môžete obvod simulovať pomocou programu ako PSpice alebo CircuitLab online, alebo použiť osciloskop s daným napätím vstupného signálu a skontrolovať pravdivosť. zisk po vybudovaní fyzického zosilňovača. Na spustenie obvodu pripojte funkčný generátor a osciloskop k zosilňovaču.

Vyššie uvedená fotografia zobrazuje, ako obvod vyzerá v simulačnom softvéri PSpice. Ak chcete skontrolovať, či váš obvod funguje správne, napájajte sínusovú vlnu 1 kHz 10 mV od špičky k vrcholu od generátora funkcií, cez obvod a do osciloskopu. Na osciloskope je potrebné pozorovať 10 V sínusovú vlnu od vrcholu k vrcholu.

Krok 4: Navrhnutie filtra Notch

Špecifickým problémom pri práci s týmto obvodom je skutočnosť, že v USA napájacie vedenia produkujú šumový signál 60 Hz. Na odstránenie tohto šumu musí byť vstupný signál do obvodu filtrovaný pri 60 Hz a ako je to možné lepšie ako pomocou zárezového filtra!

Zárezový filter (obvod zobrazený vyššie) je určitý typ elektrického filtra, ktorý je možné použiť na odstránenie určitej frekvencie zo signálu. Aby sme odstránili signál 60 Hz, vypočítali sme nasledujúce rovnice:

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

R2 = (2 * Q) / (š * C)

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Použitím faktora kvality (Q) 8 na navrhnutie slušne presného filtra, kapacity (C) 0,033 uFarads pre jednoduchšiu montáž a stredovej frekvencie (š) 2 * pi * 60 Hz. To úspešne vypočítalo hodnoty pre odpory R1 = 5,024 kOhms, R2 = 1,2861 MOhms a R3 = 5,004 kOhms a úspešne vytvorilo filter na odstránenie frekvencie 60 Hz zo vstupného bioelektrického signálu. Ak chcete skontrolovať filter, môžete obvod simulovať pomocou programu ako PSpice alebo CircuitLab online, alebo použiť osciloskop s daným napätím vstupného signálu a po odstránení fyzického zosilňovača skontrolovať odstránený signál. Na spustenie obvodu pripojte funkčný generátor a osciloskop k zosilňovaču.

Vykonanie cyklu striedania s týmto obvodom v rozsahu frekvencií od 1 Hz do 1 kHz pri 1 V signáli špička-špička by malo poskytnúť funkciu „zárezu“pri 60 Hz vo výstupnom grafe, ktorý je odstránený zo vstupu signál.

Krok 5: Navrhovanie dolnopriepustného filtra

Poslednou fázou obvodu je dolnopriepustný filter, konkrétne Butterworthov dolnopriepustný filter druhého rádu. Toto sa používa na izoláciu nášho signálu EKG. Krivky EKG sú obvykle vo frekvenčných medziach 0 až ~ 100 Hz. Hodnoty odporu a kondenzátora teda vypočítame na základe medznej frekvencie 100 Hz a faktora kvality 8, čo by nám poskytlo relatívne presný 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

Hodnoty, ktoré sme vypočítali, boli R1 = 81,723 kOhms, R2 = 120,92 kOHms, C1 = 0,1 mikroFarad a C2 = 0,045 mikroFarad. Napájajte operačné zosilňovače jednosmerným napätím + a - 15V. Ak chcete skontrolovať filter, môžete obvod simulovať pomocou programu ako PSpice alebo CircuitLab online, alebo použiť osciloskop s daným napätím vstupného signálu a po odstránení fyzického zosilňovača skontrolovať odstránený signál. Na spustenie obvodu pripojte funkčný generátor a osciloskop k zosilňovaču. Pri medznej frekvencii by ste mali vidieť veľkosť -3 dB. To naznačuje, že váš obvod funguje správne.

Krok 6: Nastavenie LabVIEW

Teraz, keď bol obvod vytvorený, chceme byť schopní interpretovať náš signál. Na tento účel môžeme použiť LabVIEW. Na získanie signálu z obvodu je možné použiť asistent DAQ. Po otvorení LabVIEW nastavte obvod podľa vyššie uvedeného diagramu. Asistent DAQ prevezme tieto vstupné údaje z obvodu a signál prejde do grafu priebehu. To vám umožní vidieť priebeh EKG!

Ďalej chceme vypočítať BPM. Vyššie uvedené nastavenie to urobí za vás. Program funguje tak, že najskôr odoberie maximálne hodnoty prichádzajúceho signálu EKG. Prahová hodnota nám umožňuje zistiť všetky nové hodnoty, ktoré prichádzajú a ktoré dosahujú percento z našej maximálnej hodnoty (v tomto prípade 90%). Umiestnenia týchto hodnôt sa potom odošlú do indexovacieho poľa. Pretože indexovanie začína na 0, chceme vziať 0. a 1. bod a vypočítať zmenu času medzi nimi. To nám dáva čas medzi údermi. Tieto údaje potom extrapolujeme, aby sme našli BPM. Konkrétne sa to robí vynásobením výstupu z prvku dt a výstupu odčítania medzi dvoma hodnotami v indexovacích poliach a potom vydelením 60 (pretože prevádzame na minúty).

Krok 7: Pripojte to všetko a vyskúšajte to

Pripojte obvod k vstupu dosky DAQ. Teraz signál, ktorý zadáte, prejde obvodom na dosku DAQ a program LabVIEW vydá priebeh vlny a vypočítaný BPM.

Gratulujem!