Záznam bioelektrických signálů: EKG a monitor srdečního tepu: 7 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:24

UPOZORNĚNÍ: Toto není zdravotnický prostředek. Toto je pouze pro vzdělávací účely pomocí simulovaných signálů. Pokud používáte tento obvod pro skutečná měření EKG, zajistěte, aby obvod a připojení mezi obvodem a přístrojem používaly správné izolační techniky.

Elektrokardiogram (EKG) je test, při kterém jsou na předmět stanoveným způsobem umístěny povrchové elektrody za účelem detekce a měření elektrické aktivity srdce subjektu [1]. EKG má mnoho použití a může fungovat při diagnostice srdečních chorob, zátěžových testech a pozorování během operace. EKG může také detekovat změny srdečních tepů, arytmie, srdeční infarkt a mnoho dalších zážitků a nemocí [1], které jsou také popsány v prohlášení o problému výše. Srdeční signál měřený pomocí EKG vytváří tři odlišné průběhy, které zobrazují živý přenos fungujícího srdce. Ty jsou znázorněny na obrázku výše.

Cílem tohoto projektu je vytvořit zařízení, které dokáže získat signál EKG z výstupního generátoru nebo člověka a reprodukovat signál při eliminaci šumu. Výstup systému také vypočítá BPM.

Začněme!

Krok 1: Shromážděte všechny materiály

Abychom vytvořili toto EKG, vytvoříme systém, který se skládá ze dvou hlavních částí, obvodu a systému LabVIEW. Účelem obvodu je zajistit, abychom dostali signál, který chceme. Existuje mnoho okolního hluku, který může přehlušit náš signál EKG, takže musíme náš signál zesílit a také odfiltrovat veškerý šum. Poté, co byl signál filtrován a zesílen obvodem, můžeme poslat upřesněný signál do programu LabVIEW, který zobrazí průběh a vypočítá BPM. Pro tento projekt jsou nutné následující materiály:

-Odpor, kondenzátor a operační zesilovač (byly použity operační zesilovače -UA741) elektrické součásti

-Bezpájecí prkénko pro stavbu a testování

-Napájení stejnosměrným proudem pro napájení zesilovačů

-Funkční generátor pro napájení bioelektrického signálu

-Osciloskop pro zobrazení vstupního signálu

-DDAQ deska pro převod signálu z analogového na digitální

-LabVIEW software pro pozorování výstupního signálu

-BNC a variabilní koncové přívodní kabely

Krok 2: Navrhování obvodu

Jak jsme právě diskutovali, je nutné jak filtrovat, tak zesilovat náš signál. Abychom to mohli udělat, můžeme nastavit 3 různé fáze našeho obvodu. Nejprve musíme zesílit náš signál. Toho lze dosáhnout využitím zesilovače přístrojů. Tímto způsobem lze náš vstupní signál v konečném produktu vidět mnohem lépe. Potom musíme mít v sérii s tímto přístrojovým zesilovačem zářezový filtr. Zářezový filtr bude použit k odstranění šumu z našeho zdroje energie. Poté můžeme mít dolní propust. Vzhledem k tomu, že hodnoty EKG jsou obvykle nízké frekvence, chceme odříznout všechny frekvence, které jsou na frekvenci, která je mimo naše hranice čtení EKG, proto používáme dolní propust. Tyto fáze jsou podrobněji vysvětleny v následujících krocích.

Pokud máte problémy s obvodem, je nejlepší jej simulovat v online programu. Tímto způsobem můžete zkontrolovat, zda jsou vaše výpočty hodnot odporu a kondenzátoru správné.

Krok 3: Návrh zesilovače přístrojů

Aby bylo možné pozorovat bioelektrický signál efektivněji, je třeba signál zesílit. Pro tento projekt je zisk k dosažení celkem 1000 V/V. Aby se dosáhlo specifikovaného zisku ze zesilovače přístrojů, byly hodnoty odporu pro obvod vypočítány podle následujících rovnic:

(Fáze 1) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(Fáze 2) K2 = -R4 / R3

Kde jsou všechny fáze vynásobeny pro výpočet celkového zisku. Hodnoty odporu zvolené pro vytvoření zisku 1000 V/V jsou R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms a R4 = 330 kOhms. K napájení op-zesilovačů fyzického obvodu použijte stejnosměrný napájecí zdroj k dosažení rozsahu napětí +/- 15 V (udržujte proudový limit na nízké úrovni). Pokud chcete zkontrolovat skutečné hodnoty rezistorů nebo chcete dosáhnout tohoto zisku před budováním, můžete simulovat obvod pomocí programu jako PSpice nebo CircuitLab online, nebo použít osciloskop s daným napětím vstupního signálu a zkontrolovat skutečný zisk po vybudování fyzického zesilovače. Připojte funkční generátor a osciloskop k zesilovači a spusťte obvod.

Výše uvedená fotografie zobrazuje, jak obvod vypadá v simulačním softwaru PSpice. Chcete-li zkontrolovat, zda váš obvod funguje správně, dodejte 1 kHz 10 mV špičkové sinusové vlny z generátoru funkcí, obvodu a osciloskopu. Na osciloskopu by měla být pozorována 10 V špičková sinusová vlna.

Krok 4: Navrhování filtru Notch

Specifickým problémem při řešení tohoto obvodu je skutečnost, že v USA je pomocí napájecích vedení generován šumový signál 60 Hz. Abychom odstranili tento šum, musí být vstupní signál do obvodu filtrován při 60 Hz a jak to udělat lépe než pomocí zářezového filtru!

Zářezový filtr (obvod zobrazený výše) je určitý typ elektrického filtru, který lze použít k odstranění určité frekvence ze signálu. Abychom odstranili signál 60 Hz, vypočítali jsme následující rovnice:

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

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

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Pomocí faktoru kvality (Q) 8 k návrhu slušně přesného filtru, kapacity (C) 0,033 uFarads pro snadnější montáž a středové frekvence (w) 2 * pi * 60 Hz. To úspěšně vypočítalo hodnoty pro odpory R1 = 5,024 kOhms, R2 = 1,2861 MOhms a R3 = 5,004 kOhms a úspěšně vytvořil filtr pro odstranění frekvence 60 Hz ze vstupního bioelektrického signálu. Pokud chcete zkontrolovat filtr, můžete obvod simulovat pomocí programu jako PSpice nebo CircuitLab online, nebo použít osciloskop s daným napětím vstupního signálu a zkontrolovat odstraněný signál po vybudování fyzického zesilovače. Připojte funkční generátor a osciloskop k zesilovači a spusťte obvod.

Provádění střídání AC s tímto obvodem v rozsahu frekvencí od 1 Hz do 1 kHz při 1 V signálu špička-špička by mělo přinést funkci „zářezu“při 60 Hz ve výstupním grafu, který je odstraněn ze vstupu signál.

Krok 5: Navrhování dolní propusti

Poslední fází obvodu je dolní propust, konkrétně Butterworthův dolní propust druhého řádu. To se používá k izolaci našeho signálu EKG. Křivky EKG jsou obvykle v mezích frekvence od 0 do ~ 100 Hz. Hodnoty odporu a kondenzátoru tedy vypočítáme na základě mezní frekvence 100 Hz a faktoru kvality 8, což by nám dalo relativně přesný filtr.

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, které jsme vypočítali, skončily R1 = 81,723 kOhms, R2 = 120,92 kOHms, C1 = 0,1 mikroFaradů a C2 = 0,045 mikroFaradů. Napájejte operační zesilovače stejnosměrným napětím + a - 15V. Pokud chcete zkontrolovat filtr, můžete obvod simulovat pomocí programu jako PSpice nebo CircuitLab online, nebo použít osciloskop s daným napětím vstupního signálu a zkontrolovat odstraněný signál po vybudování fyzického zesilovače. Připojte funkční generátor a osciloskop k zesilovači a spusťte obvod. Na mezní frekvenci byste měli vidět velikost -3 dB. To znamená, že váš obvod funguje správně.

Krok 6: Nastavení LabVIEW

Nyní, když byl obvod vytvořen, chceme být schopni interpretovat náš signál. K tomu můžeme použít LabVIEW. K získání signálu z obvodu lze použít asistenta DAQ. Po otevření LabVIEW nastavte obvod podle obrázku výše. Asistent DAQ převezme tuto vstupní hodnotu z obvodu a signál přejde do grafu průběhu. To vám umožní vidět průběh EKG!

Dále chceme vypočítat BPM. Výše uvedené nastavení to udělá za vás. Program funguje tak, že nejprve vezme maximální hodnoty příchozího signálu EKG. Prahová hodnota nám umožňuje detekovat všechny nové hodnoty, které přicházejí a které dosahují procenta naší maximální hodnoty (v tomto případě 90%). Umístění těchto hodnot se pak odešle do pole indexování. Protože indexování začíná na 0, chceme vzít 0. a 1. bod a vypočítat změnu času mezi nimi. To nám dává čas mezi beaty. Tato data pak extrapolujeme, abychom našli BPM. Konkrétně se to provádí vynásobením výstupu z prvku dt a výstupu odečtení mezi dvěma hodnotami v indexovacích polích a poté vydělením 60 (protože převádíme na minuty).

Krok 7: Připojte vše a vyzkoušejte to

Připojte obvod ke vstupu desky DAQ. Nyní signál, který zadáte, projde obvodem na desku DAQ a program LabVIEW vydá průběh a vypočítaný BPM.

Gratuluji!