Opneem van bio -elektriese seine: EKG en hartklopmonitor: 7 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 kring-tot-instrumentverbindings die regte isolasie tegnieke gebruik.

'N Elektrokardiogram (EKG) is 'n toets waarin oppervlakelektrode op 'n spesifieke manier op 'n onderwerp geplaas word om die elektriese aktiwiteit van die onderwerp se hart op te spoor en te meet [1]. 'N EKG het baie gebruike en kan funksioneer om te help met die diagnose van harttoestande, stres toetse en waarneming tydens chirurgie. 'N EKG kan ook veranderinge in hartklop, aritmieë, 'n hartaanval en vele ander ervarings en siektes [1] opspoor wat ook in die probleemstelling hierbo beskryf word. Die hartsein wat deur 'n EKG gemeet word, lewer drie verskillende golfvorme wat 'n lewendige voeding van die funksionerende hart weergee, wat in die prent hierbo getoon word.

Die doel van hierdie projek is om 'n toestel te skep wat die EKG -sein van 'n uitsetgenerator of 'n mens kan verkry en die sein kan weergee terwyl geraas uitgeskakel word. Die uitset van die stelsel sal ook die BPM bereken.

Laat ons begin!

Stap 1: Versamel alle materiaal

Om hierdie EKG te skep, skep ons 'n stelsel wat uit twee hoofdele bestaan: die stroombaan en die LabVIEW -stelsel. Die doel van die kring is om seker te maak dat ons die sein kry wat ons wil hê. Daar is baie omringende geraas wat ons EKG -sein kan verdoof, so ons moet ons sein versterk, asook enige geraas uitvee. Nadat die sein deur die kring gefiltreer en versterk is, kan ons die verfynde sein na 'n LabVIEW -program stuur wat die golfvorm vertoon en die BPM bereken. Die volgende materiaal is nodig vir hierdie projek:

-Resistor, kondensator en operasionele versterker (op -versterkers -UA741 is gebruik) elektriese komponente

-Soldeerlose broodbord vir die bou en toets

-DC-kragtoevoer om krag aan die versterkers te verskaf

-Funksie -kragopwekker om bio -elektriese sein te verskaf

-Oscilloskoop om insetsein te sien

-DAQ -bord om die sein van analoog na digitaal om te skakel

-LabVIEW sagteware vir die waarneming van die uitsetsein

-BNC en veranderlike eindkabels

Stap 2: Ontwerp die stroombaan

Soos ons pas bespreek het, is dit nodig om ons sein te filter en te versterk. Om dit te kan doen, kan ons 3 verskillende fases van ons stroombaan opstel. Eerstens moet ons ons sein versterk. Dit kan gedoen word deur 'n instrumentasie versterker te gebruik. Op hierdie manier kan ons insetsein baie beter gesien word in die finale produk. Ons moet dan 'n kerffilter in serie hê met hierdie instrumentasie versterker. Die kerffilter word gebruik om die geraas uit ons kragbron uit te skakel. Daarna kan ons 'n laagdeurlaatfilter hê. Aangesien EKG -lesings gewoonlik van lae frekwensie is, wil ons alle frekwensies wat op 'n frekwensie is wat buite ons EKG -leesgrense is, afsny, dus gebruik ons 'n laagdeurlaatfilter. Hierdie stadiums word in die volgende stappe in meer besonderhede verduidelik.

As u probleme ondervind met u kring, is dit die beste om u kring in 'n aanlynprogram te simuleer. Op hierdie manier kan u kyk of u berekeninge vir weerstand- en kapasitorwaardes korrek is.

Stap 3: Ontwerp die instrumentversterker

Om die bio -elektriese sein doeltreffender te kan waarneem, moet die sein versterk word. Vir hierdie projek is die wins om in die geheel te bereik 1000 V/V. Om die gespesifiseerde versterking van die instrumentasieversterker te bereik, is weerstandswaardes vir die stroombaan bereken deur die volgende vergelykings:

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

(Fase 2) K2 = -R4 / R3

Waar elkeen van die fases vermenigvuldig word om die totale wins te bereken. Weerstandswaardes wat gekies is om 'n wins van 1000 V/V te skep, is R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms en R4 = 330 kOhms. Gebruik die GS-kragtoevoer om 'n spanningsbereik van +/- 15 V te gee (om die huidige limiet laag te hou) om die op-ampère van die fisiese stroombaan aan te dryf. As u die ware waardes van die weerstande wil kontroleer of hierdie wins wil behaal voordat u dit bou, kan u die stroombaan simuleer met behulp van 'n program soos PSpice of CircuitLab aanlyn, of 'n ossilloskoop met 'n gegewe insetsignaalspanning gebruik en kyk na die ware wins na die bou van 'n fisiese versterker. Koppel die funksiegenerator en die ossilloskoop aan die versterker om die stroombaan te laat loop.

Die foto hierbo toon aan hoe die stroombaan in die simulasiesagteware PSpice lyk. Om te kontroleer of u stroombaan behoorlik werk, moet u 'n 1 kHz 10 mV piek-tot-piek sinusgolf lewer vanaf die funksiegenerator, deur die stroombaan en aan die ossilloskoop. 'N 10 V piek-tot-piek sinusgolf moet op die ossilloskoop waargeneem word.

Stap 4: Ontwerp die kerffilter

'N Spesifieke probleem by die hantering van hierdie stroombaan is die feit dat 'n 60 Hz -geraassein deur kragtoevoerlyne in die Verenigde State geproduseer word. Om hierdie geraas te verwyder, moet die ingangsein in die stroombaan by 60 Hz gefiltreer word, en watter beter manier om dit te doen as met 'n kerffilter!

'N Kerffilter (die stroombaan hierbo uitgebeeld) is 'n sekere tipe elektriese filter wat gebruik kan word om 'n spesifieke frekwensie van 'n sein te verwyder. Om die 60 Hz -sein te verwyder, het ons die volgende vergelykings bereken:

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

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

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Deur 'n kwaliteitsfaktor (Q) van 8 te gebruik om 'n ordentlik akkurate filter te ontwerp, 'n kapasitansie (C) van 0,033 uFarads vir makliker montering en 'n middelfrekwensie (w) van 2 * pi * 60 Hz. Dit het die waardes vir die weerstande R1 = 5.024 kOhms, R2 = 1.2861 MOhms en R3 = 5.004 kOhms suksesvol bereken en 'n filter geskep om 'n frekwensie van 60 Hz van die ingang bio -elektriese sein te verwyder. As u die filter wil kontroleer, kan u die stroombaan simuleer met behulp van 'n program soos PSpice of CircuitLab aanlyn, of 'n ossilloskoop met 'n gegewe ingangsspanning gebruik en kyk of die sein verwyder is nadat u 'n fisiese versterker gebou het. Koppel die funksiegenerator en die ossilloskoop aan die versterker om die stroombaan te laat loop.

Deur 'n wisselstroom-sweep met hierdie stroombaan oor 'n reeks frekwensies van 1 Hz tot 1 kHz by 'n 1 V piek-tot-piek sein uit te voer, behoort 'n 'kerf' tipe funksie by 60 Hz in die uitsetgrafiek te word, wat van die ingang verwyder word sein.

Stap 5: Ontwerp die laagdeurlaatfilter

Die laaste fase van die stroombaan is die laagdeurlaatfilter, spesifiek 'n Tweede-orde Butterworth-laagdeurlaatfilter. Dit word gebruik om ons EKG -sein te isoleer. EKG -golfvorms is gewoonlik binne die frekwensiegrense van 0 tot ~ 100 Hz. Dus, ons bereken ons weerstand- en kapasitorwaardes op grond van die afsnyfrekwensie van 100 Hz en 'n kwaliteitsfaktor van 8, wat ons 'n relatief akkurate filter sou gee.

R1 = 2/(w [aC2+vierkante (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

Die waardes wat ons bereken het, was uiteindelik R1 = 81.723kOhms, R2 = 120.92kOHms, C1 = 0.1 microFarads en C2 = 0.045 microFarads. Skakel die op -versterkers met 'n GS -spanning van + en - 15V. As u die filter wil kontroleer, kan u die kring simuleer met behulp van 'n program soos PSpice of CircuitLab aanlyn, of 'n ossilloskoop met 'n gegewe insetsignaalspanning gebruik en na die verwyderde sein kyk na die bou van 'n fisiese versterker. Koppel die funksiegenerator en die ossilloskoop aan die versterker om die stroombaan te laat loop. By die afsnyprekwensie moet u 'n grootte van -3 dB sien. Dit dui aan dat u stroombaan korrek werk.

Stap 6: LabVIEW opstel

Noudat die kring geskep is, wil ons ons sein kan interpreteer. Om dit te kan doen, kan ons LabVIEW gebruik. 'N DAQ -assistent kan gebruik word om die sein van die kring af te haal. Nadat u LabVIEW oopgemaak het, stel u die stroombaan op soos in die diagram hierbo getoon. Die DAQ -assistent neem hierdie insetlesing uit die stroombaan en die sein gaan na die golfvormgrafiek. Hiermee kan u die EKG -golfvorm sien!

Vervolgens wil ons die BPM bereken. Die opstelling hierbo sal dit vir u doen. Die program funksioneer deur eers die maksimum waardes van die inkomende EKG -sein te neem. Met die drempelwaarde kan ons al die nuwe waardes opspoor wat 'n persentasie van ons maksimum waarde bereik (in hierdie geval 90%). Die liggings van hierdie waardes word dan na die indekseringsskikking gestuur. Aangesien indeksering by 0 begin, wil ons die 0de en 1ste punt neem en die tydsverandering tussen hulle bereken. Dit gee ons die tyd tussen slae. Ons ekstrapoleer dan die data om die BPM te vind. Dit word spesifiek gedoen deur die uitset van die dt -element en die uitset van die aftrekking tussen die twee waardes in die indeksskikkings te vermenigvuldig en dan te deel met 60 (aangesien ons na minute omskakel).

Stap 7: Verbind alles en toets dit

Koppel die stroombaan aan die ingang van die DAQ -bord. Nou sal die sein wat u invoer, deur die kring na die DAQ -bord gaan, en die LabVIEW -program sal die golfvorm en die berekende BPM uitvoer.

Geluk!