Digitale EKG en hartklopmonitor: 8 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:27

KENNISGEWING: Dit is nie 'n mediese toestel nie. Dit is slegs vir opvoedkundige doeleindes met behulp van gesimuleerde seine. As u hierdie kring vir werklike EKG-metings gebruik, moet u seker maak dat die stroombaan en die stroombaan-na-instrumentverbindings gebruik maak van batterykrag en ander behoorlike isolasie tegnieke

'N Elektrokardiogram (EKG) teken elektriese seine op tydens die hartsiklus. Elke keer as die hart klop, is daar 'n siklus van depolarisering en hiperpolarisering van miokardiale selle. Die depolariserende en hiperpolariserende kan deur elektrodes aangeteken word, en dokters lees die inligting om meer te wete te kom oor hoe die hart funksioneer. 'N EKG kan 'n miokardiale infarksie, atriale of ventrikelfibrillering, tagikardie en bradikardie bepaal [1]. Nadat die EKG bepaal het wat die probleem is, kan die pasiënt die pasiënt suksesvol diagnoseer en behandel. Volg die onderstaande stappe om te leer hoe u u eie elektrokardiogram -opnameapparaat kan maak!

Stap 1: materiaal

Kringkomponente:

• Vyf UA741 operasionele versterkers
• Weerstande
• Kapasitors
• Springdrade
• DAQ raad
• LabVIEW sagteware

Toestelle:

• Funksie kragopwekker
• DC kragbron
• Ossilloskoop
• BNC kabels en T-splitter
• Springkabels
• Alligator clips
• Piesangproppe

Stap 2: Instrumentasie versterker

Die eerste fase van die kring is 'n instrumentasie versterker. Dit versterk die biologiese sein sodat die verskillende komponente van die EKG onderskei kan word.

Die stroombaan diagram vir die instrumentasie versterker word hierbo getoon. Die eerste fase -versterking van hierdie stroombaan word gedefinieer as K1 = 1 + 2*R2 / R1. Die tweede fase -versterking van die stroombaan word gedefinieer as K2 = R4 / R3. Die algehele wins van die instrumentasie versterker is K1 * K2. Die gewenste wins vir hierdie projek was ongeveer 1000, dus is K1 gekies om 31 te wees en K2 is gekies as 33. Weerstandswaardes vir hierdie winste word hierbo in die stroombaan -diagram getoon. U kan die weerstandswaardes hierbo gebruik, of u kan die waardes verander om aan die gewenste wins te voldoen. **

Nadat u u komponentwaardes gekies het, kan die kring op die broodbord gebou word. Om die kringverbindings op die broodbord te vereenvoudig, is die negatiewe horisontale reling bo-op as grond gestel, terwyl die twee horisontale relings aan die onderkant +/- 15V was.

Die eerste versterker is aan die linkerkant van die broodbord geplaas om ruimte te laat vir al die oorblywende komponente. Aanhegsels is in chronologiese volgorde van die penne bygevoeg. Dit maak dit makliker om tred te hou met watter stukke bygevoeg is of nie. Sodra al die penne voltooi is vir op amp 1, kan die volgende op amp geplaas word. Maak weer seker dat dit relatief naby is om ruimte te laat. Dieselfde chronologiese penproses is voltooi vir alle op -ampère totdat die instrumentasie -versterker voltooi was.

Bykomend tot die kringdiagram is bypass -kapasitors ook bygevoeg om van die AC -koppeling in die drade ontslae te raak. Hierdie kapasitors is parallel met die GS -spanningstoevoer geplaas en op die boonste horisontale negatiewe reling gegrond. Hierdie kapasitors moet tussen 0,1 en 1 microFarad wees. Elke versterker het twee bypass -kapasitors, een vir pen 4 en een vir pen 7. Die twee kapasitors op elke op amp moet dieselfde waarde hê, maar kan wissel van op amp tot op amp.

Om die versterking te toets, is 'n funksiegenerator en 'n ossilloskoop onderskeidelik die inset en uitset van die versterker verbind. Die insetsein is ook aan die ossilloskoop gekoppel. 'N Eenvoudige sinusgolf is gebruik om amplifikasie te bepaal. Voer die funksiegenerator se uitset in die twee ingangsklemme van die instrumentasieversterker in. Stel die ossilloskoop in om die verhouding tussen uitsetsein en insetsein te meet. Die wins van 'n stroombaan in desibel is Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). Vir 'n wins van 1000 is die toename in desibel 60dB. Met behulp van die ossilloskoop kan u bepaal of die wins van u gekonstrueerde stroombaan aan u spesifikasies voldoen, of dat u 'n paar weerstandswaardes moet verander om u stroombaan te verbeter.

Sodra die instrumentversterker korrek saamgestel en funksioneer, kan u na die kerffilter gaan.

** In bogenoemde kringdiagram, R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Stap 3: kerffilter

Die doel van die kerffilter is om geraas uit die 60 Hz muurkragbron te verwyder. 'N Kerffilter verswak die sein by die afsnyfrekwensie en slaag frekwensies daarbo en onder. Vir hierdie stroombaan is die gewenste afsnyfrekwensie 60 Hz.

Die regulerende vergelykings vir die stroombaan diagram hierbo getoon is R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) en R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), waar Q is kwaliteitsfaktor en w is 2 * pi * (afsnyfrekwensie). 'N Kwaliteitsfaktor van 8 gee weerstand- en kapasitorwaardes binne 'n redelike omvang. Die kondensatorwaardes kan almal dieselfde wees. U kan dus 'n kondensatorwaarde kies wat in u kits beskikbaar is. Die weerstandswaardes wat in die stroombaan hierbo getoon word, is vir 'n afsnyfrekwensie van 60 Hz, 'n kwaliteitsfaktor van 8 en 'n kapasitorwaarde van 0,22 uF.

Aangesien kapasitors parallel optel, is twee kapasitors van die gekose waarde C parallel geplaas om 'n waarde van 2C te bereik. Bypass -kapasitors is ook by die op -amp gevoeg.

Om die kerffilter te toets, koppel die uitset van die funksiegenerator aan die ingang van die kerffilter. Let op die inset en uitset van die stroombaan op 'n ossilloskoop. Om 'n effektiewe kerffilter te hê, moet u 'n wins van minder as of gelyk aan -20dB hê by die afsnyprekwensie. Aangesien die komponente nie ideaal is nie, kan dit moeilik wees om dit te bereik. Die berekende weerstand- en kapasitorwaardes gee u moontlik nie die gewenste wins nie. Dit sal vereis dat u die weerstand- en kapasitorwaardes verander.

Om dit te doen, fokus op een komponent op 'n slag. Verhoog en verlaag die waarde van 'n enkele komponent sonder om ander te verander. Let op die gevolge wat dit op die versterking van stroombaan het. Dit kan baie geduld verg om die gewenste wins te behaal. Onthou, u kan weerstande in serie byvoeg om weerstandswaardes te verhoog of te verlaag. Die verandering wat ons wins die meeste verbeter het, was om een van die kapasitors tot 0.33 uF te verhoog.

Stap 4: Laagpasfilter

Die laagdeurlaatfilter verwyder geraas van hoër frekwensies wat die EKG -sein kan belemmer. 'N Laagpas -afsny van 40 Hz is voldoende om EKG -golfvorminligting vas te lê. Sommige komponente van die EKG oorskry egter 40 Hz. 'N Afsondering van 100 Hz of 150 Hz kan ook gebruik word [2].

Die laagdeurlaatfilter wat gebou is, is 'n Tweede Orde Butterworth -filter. Aangesien die versterking van ons stroombaan bepaal word deur die instrumentasie versterker, wil ons 'n versterking van 1 binne die band vir die laagdeurlaatfilter hê. Vir 'n wins van 1 word RA kortsluit en RB is oop in die stroombaan diagram hierbo [3]. In die stroombaan, C1 = 10 / (fc) uF, waar fc die afsnyfrekwensie is. C1 moet kleiner as of gelyk aan C2 * a^2 / (4 * b) wees. Vir 'n tweede orde Butterworth -filter, a = sqrt (2) en b = 1. Deur waardes vir a en b in te sluit, word die vergelyking vir C2 vereenvoudig tot minder as of gelyk aan C1 / 2. Dan is R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a^2 * C2^2 - 4 * b * C1 * C2))] en R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), waar w = 2 * pi * fc. Berekeninge vir hierdie stroombaan is voltooi om 'n afsny van 40Hz te bied. Weerstands- en kondensatorwaardes wat aan hierdie spesifikasies voldoen, word in die bostaande stroomdiagram getoon.

Die op -amp is aan die regterkant van die broodbord geplaas, aangesien geen ander komponente daarna bygevoeg sal word nie. Weerstande en kapasitors is by die op -versterker gevoeg om die stroombaan te voltooi. Omseilkapasitors is ook by die versterker gevoeg. Die ingangsterminal is leeg gelaat, aangesien die invoer afkomstig is van die kerffilteruitgangsein. Vir toetsdoeleindes is 'n draad by die invoerpen geplaas om die laagdeurlaatfilter te kan afsonder en afsonderlik te toets.

'N Sinusgolf van die funksiegenerator is as insetsein gebruik en op verskillende frekwensies waargeneem. Let op beide die inset- en uitsetseine op 'n ossilloskoop en bepaal die versterking van die stroombaan by verskillende frekwensies. Vir 'n laagdeurlaatfilter moet die toename by die afsnyfrekwensie -3db wees. Vir hierdie stroombaan moet die afsny plaasvind by 40 Hz. Frekwensies onder 40Hz behoort min of geen verswakking in hul golfvorm te hê nie, maar namate die frekwensie bo 40 Hz styg, moet die versterking voortgaan om af te rol.

Stap 5: Monteer stroombane

Nadat u elke fase van die kring opgebou het en onafhanklik getoets het, kan u dit almal verbind. Die uitset van die instrumentasieversterker moet aan die ingang van die kerffilter gekoppel word. Die uitset van die kerffilter moet gekoppel word aan die ingang van die laagdeurlaatfilter.

Om die stroombaan te toets, koppel die funksieopwekker se ingang aan op die ingang van die instrumentasieversterkerstadium. Let op die inset en uitset van die stroombaan op 'n ossilloskoop. U kan toets met 'n vooraf geprogrammeerde EKG-golf van die funksiegenerator, of met 'n sinusgolf en die effekte van u stroombaan waarneem. In die bogenoemde ossilloskoopbeeld is die geel kurwe die invoergolfvorm en die groen kromme die uitset.

Sodra u al u kringfases verbind het en bewys het dat dit behoorlik werk, kan u die uitset van u kring aan die DAQ -bord koppel en in LabVIEW begin programmeer.

Stap 6: LabVIEW -program

Die LabVIEW -kode is om die slae per meter van 'n gesimuleerde EKG -golf by verskillende frekwensies op te spoor. Om in LabVIEW te programmeer, moet u eers al die komponente identifiseer. 'N Analoog na digitaal -omskakelaar, ook bekend as die data -verkryging (DAQ) -bord, moet opgestel word en deurlopend uitgevoer word. Die uitsetsein van die stroombaan is gekoppel aan die ingang van die DAQ -bord. Die golfvormgrafiek in die LabVIEW -program is direk gekoppel aan die uitset van die DAQ -assistent. Die uitset van die DAQ -data gaan ook na die maks/min -identifiseerder. Die sein gaan dan deur 'n vermenigvuldiging rekenkundige operateur. Die numeriese aanwyser van 0.8 word gebruik om die drempelwaarde te bereken. As die sein 0,8*maksimum oorskry, word 'n piek bespeur. Elke keer as hierdie waarde gevind is, word dit in die indeksreeks gestoor. Die twee datapunte word in die indeksreeks gestoor en word ingevoer in die rekenkundige aftrekking -operateur. Die verandering in tyd is gevind tussen hierdie twee waardes. Om die hartklop te bereken, word 60 gedeel deur die tydsverskil. 'N Numeriese aanwyser, wat langs die uitsetgrafiek getoon word, gee die hartklop uit in slae per minuut (bpm) van die insetsein. Sodra die program opgestel is, moet dit alles in 'n deurlopende terwyl -lus geplaas word. Verskillende frekwensie -insette gee verskillende bpm -waardes.

Stap 7: Versamel EKG -data

Nou kan u 'n gesimuleerde EKG -sein in u kring invoer en data in u LabVIEW -program opneem! Verander die frekwensie en amplitude van die gesimuleerde EKG om te sien hoe dit u aangetekende data beïnvloed. As u die frekwensie verander, moet u die berekende hartklop verander. U het 'n EKG en hartklopmonitor suksesvol ontwerp!

Stap 8: Verdere verbeterings

Die vervaardigde toestel sal goed werk om gesimuleerde EKG -seine te verkry. As u egter biologiese seine wil opneem (volg die toepaslike veiligheidsmaatreëls), moet die stroombane verder verander word om die seingelees te verbeter. 'N Hoogdoorlaatfilter moet bygevoeg word om DC -afwyking en bewegingsartefakte met lae frekwensie te verwyder. Die wins van die instrumentasie -versterker moet ook tienvoudig verminder word om binne die bruikbare bereik van LabVIEW en die op -versterkers te bly.

Bronne

[1] S. Meek en F. Morris, “Inleiding. II-basiese terminologie.”BMJ, vol. 324, nr. 7335, pp. 470–3, Februarie 2002.

[2] Chia-Hung Lin, frekwensie-domeinfunksies vir EKG-diskriminasie met behulp van 'n grys relasionele analise-gebaseerde klassifiseerder, In Computers & Mathematics with Applications, Volume 55, Issue 4, 2008, Pages 680-690, ISSN 0898-1221, [3] “Tweede orde filter | Tweede orde laagpasfilterontwerp.” Basiese elektroniese tutoriale, 9 September 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…