Digital ECG at Heart Rate Monitor: 8 Mga Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:15

PAUNAWA: Hindi ito isang medikal na aparato. Ito ay para sa mga layuning pang-edukasyon na gumagamit lamang ng mga simulate signal. Kung ginagamit ang circuit na ito para sa totoong mga sukat ng ECG, mangyaring tiyaking ang circuit at ang mga koneksyon na circuit-to-instrument ay gumagamit ng lakas ng baterya at iba pang wastong mga diskarte sa paghihiwalay

Ang isang electrocardiogram (ECG) ay nagtatala ng mga de-koryenteng signal sa panahon ng siklo ng puso. Sa tuwing tumibok ang puso, mayroong isang pag-ikot ng depolarizing at hyper polarizing ng myocardial cells. Ang depolarizing at hyper polarizing ay maaaring maitala ng mga electrode, at binasa ng mga doktor ang impormasyong iyon upang malaman ang tungkol sa kung paano gumana ang puso. Maaaring matukoy ng isang ECG ang isang myocardial infarction, atrial o ventricular fibrillation, tachycardia, at bradycardia [1]. Matapos matukoy kung ano ang problema mula sa ECG, matagumpay na masuri at gamutin ng mga doktor ang pasyente. Sundin ang mga hakbang sa ibaba upang malaman kung paano gumawa ng iyong sariling aparato sa pag-record ng electrocardiogram!

Hakbang 1: Mga Kagamitan

Mga bahagi ng circuit:

• Limang UA741 na mga amplifier ng pagpapatakbo
• Mga lumalaban
• Mga capacitor
• Jumper wires
• Board ng DAQ
• Software ng LabVIEW

Kagamitan sa pagsubok:

• Pag-andar ng generator
• DC power supply
• Oscilloscope
• Ang mga cable ng BNC at T-splitter
• Mga kable ng jumper
• Mga clip ng Alligator
• Mga plugs ng saging

Hakbang 2: Instrumentation Amplifier

Ang unang yugto ng circuit ay isang amplifier ng kagamitan. Pinapalakas nito ang biological signal upang ang iba`t ibang mga bahagi ng ECG ay maaaring makilala.

Ang circuit diagram para sa amplifier ng instrumento ay ipinapakita sa itaas. Ang unang yugto ng nakuha ng circuit na ito ay tinukoy bilang K1 = 1 + 2 * R2 / R1. Ang pangalawang yugto ng nakuha ng circuit ay tinukoy bilang K2 = R4 / R3. Ang pangkalahatang pakinabang ng amplifier ng instrumentation ay K1 * K2. Ang nais na pakinabang para sa proyektong ito ay humigit-kumulang na 1000, kaya't ang K1 ay napili na 31 at ang K2 ay napili na maging 33 Ang mga halaga ng resistor para sa mga nadagdag na ito ay ipinapakita sa itaas sa circuit diagram. Maaari mong gamitin ang mga halagang risistor na ipinakita sa itaas, o maaari mong baguhin ang mga halagang natutugunan ang iyong ninanais na pakinabang. **

Kapag napili mo ang iyong mga halaga ng sangkap, ang circuit ay maaaring maitayo sa breadboard. Upang gawing simple ang mga koneksyon sa circuit sa breadboard, ang negatibong pahalang na riles sa itaas ay itinakda bilang lupa habang ang dalawang pahalang na daang-bakal sa ilalim ay itinakda upang maging +/- 15V ayon sa pagkakabanggit.

Ang unang op amp ay inilagay sa kaliwang bahagi ng breadboard upang mag-iwan ng puwang para sa lahat ng natitirang mga bahagi. Ang mga kalakip ay idinagdag ayon sa pagkakasunud-sunod ng mga pin. Ginagawa nitong mas madali upang subaybayan kung anong mga piraso ang naidagdag o hindi. Kapag ang lahat ng mga pin ay kumpleto para sa op amp 1, ang susunod na op amp ay maaaring mailagay. Muli, siguraduhin na medyo malapit ito upang makapag-iwan ng puwang. Ang parehong proseso ng magkakasunod na pin ay nakumpleto para sa lahat ng mga amp amp hanggang sa makumpleto ang instrumentation amplifier.

Pagkatapos ay idinagdag ang mga capacitor ng bypass bilang karagdagan sa circuit diagram upang mapupuksa ang pagkabit ng AC sa mga wire. Ang mga capacitor na ito ay inilagay sa kahanay ng supply ng boltahe ng DC at pinagbatayan sa itaas na pahalang na negatibong riles. Ang mga capacitor na ito ay dapat na nasa saklaw na 0.1 hanggang 1 microFarad. Ang bawat op amp ay mayroong dalawang bypass capacitor, isa para sa pin 4 at isa para sa pin 7. Ang dalawang capacitor sa bawat op amp ay dapat may parehong halaga, ngunit maaaring mag-iba mula sa op amp hanggang op amp.

Upang masubukan ang amplification, isang function generator at oscilloscope ang nakakonekta sa input at output ng amplifier ayon sa pagkakabanggit. Ang input signal ay konektado din sa oscilloscope. Isang simpleng alon ng sine ang ginamit upang matukoy ang amplification. Ipasok ang output generator ng function sa dalawang mga terminal ng pag-input ng amplifier ng instrumento. Itakda ang oscilloscope upang masukat ang ratio ng output signal sa input signal. Ang nakuha ng isang circuit sa decibel ay Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). Para sa isang nakuha na 1000, ang nakuha sa mga decibel ay 60dB. Gamit ang oscilloscope, maaari mong matukoy kung ang pakinabang ng iyong itinayo na circuit ay nakakatugon sa iyong mga pagtutukoy, o kung kailangan mong baguhin ang ilang mga halaga ng risistor upang mapabuti ang iyong circuit.

Kapag ang amplifier ng instrumentation ay tama na binuo at gumagana, maaari kang magpatuloy sa filter ng bingaw.

** Sa itaas na diagram ng circuit, R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Hakbang 3: Filter ng Notch

Ang layunin ng filter ng bingaw ay alisin ang ingay mula sa 60 Hz power supply ng pader. Ang isang filter ng bingaw ay nagpapahina ng signal sa dalas ng cutoff, at ipinapasa ang mga frequency sa itaas at sa ibaba nito. Para sa circuit na ito, ang nais na dalas ng cutoff ay 60 Hz.

Ang mga equation na namamahala para sa circuit diagram na ipinakita sa itaas ay R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C), at R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), kung saan Ang Q ay kadahilanan ng kalidad at ang w ay 2 * pi * (dalas ng cutoff). Ang isang kalidad na kadahilanan ng 8 ay nagbibigay ng mga halaga ng risistor at kapasitor sa isang makatwirang saklaw. Ang mga halaga ng capacitor ay maaaring ipalagay sa lahat ay pareho. Kaya, maaari kang pumili ng isang halaga ng capacitor na magagamit sa iyong mga kit. Ang mga halaga ng risistor na ipinakita sa circuit sa itaas ay para sa isang cutoff frequency na 60 Hz, isang kalidad na factor na 8, at isang halaga ng capacitor na 0.22 uF.

Dahil idinagdag ang mga capacitor sa kahanay, dalawang capacitor ng napiling halaga C ay inilagay sa parallel upang makamit ang isang halaga ng 2C. Gayundin, ang mga bypass capacitor ay idinagdag sa op amp.

Upang subukan ang filter ng bingaw, ikonekta ang output mula sa generator ng pag-andar sa pag-input ng filter ng bingaw. Pagmasdan ang input at output ng circuit sa isang oscilloscope. Upang magkaroon ng isang mabisang pansala filter, dapat kang makakuha ng isang mas mababa sa o katumbas ng -20dB sa dalas ng cutoff. Dahil ang mga sangkap ay hindi perpekto, maaaring mahirap itong makamit. Ang kinakalkula na halaga ng risistor at kapasitor ay maaaring hindi magbigay sa iyo ng ninanais na pakinabang. Kakailanganin ka nitong gumawa ng mga pagbabago sa mga halaga ng resistor at capacitor.

Upang magawa ito, mag-focus sa bawat bahagi nang paisa-isa. Taasan at bawasan ang halaga ng iisang sangkap nang hindi binabago ang iba pa. Pagmasdan ang mga epekto nito sa pagkakaroon ng circuit. Maaari itong mangailangan ng maraming pasensya upang makamit ang ninanais na pakinabang. Tandaan, maaari kang magdagdag ng mga resistors sa serye upang madagdagan o mabawasan ang mga halaga ng risistor. Ang pagbabago na pinabuting pinakamabuti ang aming nakuha ay upang taasan ang isa sa mga capacitor sa 0.33 uF.

Hakbang 4: Mababang Pass Filter

Inaalis ng low pass filter ang mas mataas na ingay ng dalas na maaaring makagambala sa signal ng ECG. Ang isang mababang pass cutoff na 40 Hz ay sapat upang makuha ang impormasyon ng ECG waveform. Gayunpaman, ang ilang mga bahagi ng ECG ay lumampas sa 40 Hz. Ang isang 100 Hz o 150 Hz cutoff ay maaari ding magamit [2].

Ang itinakdang low pass filter ay isang filter na Pangalawang Order Butterworth. Dahil ang pakinabang ng aming circuit ay natutukoy ng amplifier ng instrumentation, nais naming makakuha ng 1 sa loob ng banda para sa mababang pass filter. Para sa isang nakuha na 1, ang RA ay maikli na circuited at ang RB ay bukas na circuited sa circuit diagram sa itaas [3]. Sa circuit, C1 = 10 / (fc) uF, kung saan ang fc ang dalas ng cutoff. Ang C1 ay dapat mas mababa sa o katumbas ng C2 * a ^ 2 / (4 * b). Para sa isang pangalawang order na filter ng Butterworth, isang = sqrt (2) at b = 1. Pag-plug sa mga halaga para sa a at b, ang equation para sa C2 ay pinapasimple sa mas mababa sa o katumbas ng C1 / 2. Pagkatapos R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a ^ 2 * C2 ^ 2 - 4 * b * C1 * C2))] at R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2), kung saan w = 2 * pi * fc. Ang mga kalkulasyon para sa circuit na ito ay nakumpleto upang makapagbigay ng isang cutoff na 40Hz. Ang mga halaga ng resistor at capacitor na nakakatugon sa mga pagtutukoy na ito ay ipinapakita sa itaas na diagram ng circuit.

Ang op amp ay inilagay sa kanang bahagi ng breadboard dahil walang ibang mga sangkap ang maidaragdag pagkatapos nito. Ang mga resistor at capacitor ay idinagdag sa op amp upang makumpleto ang circuit. Ang mga capacitor ng bypass ay idinagdag din sa op amp. Ang input terminal ay naiwang walang laman dahil ang input ay magmumula sa signal ng output ng bingaw ng filter. Gayunpaman, para sa mga layunin sa pagsubok, isang wire ang inilagay sa input pin upang maihiwalay ang mababang pass filter at subukan ito nang paisa-isa.

Ang isang alon ng sine mula sa generator ng pagpapaandar ay ginamit bilang input signal at sinusunod sa iba't ibang mga frequency. Pagmasdan ang parehong mga input at output signal sa isang oscilloscope at tukuyin ang pakinabang ng circuit sa iba't ibang mga frequency. Para sa isang mababang pass filter, ang nakuha sa cut off frequency ay dapat na -3db. Para sa circuit na ito, ang cutoff ay dapat mangyari sa 40 Hz. Ang mga dalas sa ilalim ng 40Hz ay dapat na may maliit na pagpapalambing sa kanilang porma ng alon, ngunit habang tumataas ang dalas sa itaas ng 40 Hz, ang kita ay dapat na patuloy na mag-roll off.

Hakbang 5: Pagtitipon ng Mga Yugto ng Circuit

Kapag naayos mo na ang bawat yugto ng circuit at nasubukan ang mga ito nang nakapag-iisa, maaari mong ikonekta silang lahat. Ang output ng amplifier ng instrumento ay dapat na konektado sa pag-input ng filter ng bingaw. Ang output ng notch filter ay dapat na konektado sa input ng mababang pass filter.

Upang subukan ang circuit, ikonekta ang pag-input ng generator ng function sa input ng yugto ng amplifier ng instrumentation. Pagmasdan ang input at output ng circuit sa isang oscilloscope. Maaari mong subukan sa isang paunang naka-program na alon ng ECG mula sa generator ng pagpapaandar, o sa isang alon ng sine at obserbahan ang mga epekto ng iyong circuit. Sa imaheng oscilloscope sa itaas, ang dilaw na curve ay ang input waveform, at ang berdeng curve ang output.

Kapag nakakonekta mo na ang lahat ng iyong mga yugto sa circuit at ipinakita na gumagana ito nang maayos, maaari mong ikonekta ang output ng iyong circuit sa board ng DAQ at simulan ang programa sa LabVIEW.

Hakbang 6: Programa ng LabVIEW

Ang code ng LabVIEW ay upang makita ang mga beats bawat metro mula sa isang kunwa ECG alon sa iba't ibang mga frequency. Upang programa sa LabVIEW dapat mong kilalanin muna ang lahat ng mga sangkap. Ang isang analog sa digital converter, na kilala rin bilang board ng acquisition ng data (DAQ), ay dapat na i-set up at itakda upang magpatakbo ng tuloy-tuloy. Ang output signal mula sa circuit ay konektado sa input ng DAQ board. Ang grapform graph sa programa ng LabVIEW ay konektado direkta sa output ng katulong ng DAQ. Ang output mula sa data ng DAQ ay pupunta rin sa max / min identifier. Pagkatapos ang signal ay dumaan sa isang multiplikasyon na operator ng arithmetic. Ang tagapagpahiwatig ng bilang na 0.8 ay ginagamit upang kalkulahin ang halaga ng threshold. Kapag lumagpas ang signal sa 0.8 * Maximum, isang tuktok ang napansin. Anumang oras natagpuan ang halagang ito na nakaimbak sa index array. Ang dalawang mga puntos ng data ay nakaimbak sa index array at naka-input sa operator ng pagbabawas ng arithmetic. Ang pagbabago sa oras ay natagpuan sa pagitan ng dalawang halagang ito. Pagkatapos, upang makalkula ang rate ng puso, 60 ay nahahati sa pagkakaiba ng oras. Ang isang numerong tagapagpahiwatig, na ipinapakita sa tabi ng output graph, ay naglalabas ng rate ng puso sa mga beats bawat minuto (bpm) ng input signal. Kapag ang programa ay naka-set up, dapat itong lahat ilagay sa loob ng isang tuloy-tuloy na habang loop. Ang iba't ibang mga input ng dalas ay nagbibigay ng iba't ibang mga halaga ng bpm.

Hakbang 7: Kolektahin ang Data ng ECG

Ngayon ay maaari kang maglagay ng isang kunwa signal ng ECG sa iyong circuit, at magtala ng data sa iyong programa sa LabVIEW! Baguhin ang dalas at amplitude ng simulated ECG upang makita kung paano ito nakakaapekto sa iyong naitala na data. Habang binabago mo ang dalas, dapat mong makita ang isang pagbabago sa kinakalkula na rate ng puso. Matagumpay mong naidisenyo ang isang ECG at monitor ng rate ng puso!

Hakbang 8: Karagdagang Mga Pagpapabuti

Ang aparato na itinayo ay gagana nang maayos para sa pagkuha ng mga naka-simulate na signal ng ECG. Gayunpaman, kung nais mong magtala ng mga biological signal (tiyaking sundin ang naaangkop na pag-iingat sa kaligtasan), karagdagang mga pagbabago ang dapat gawin sa mga circuit upang mapabuti ang pagbabasa ng signal. Ang isang mataas na pass filter ay dapat idagdag upang alisin ang DC offset at low artefact ng paggalaw ng dalas. Ang pagkakaroon ng amplifier ng instrumentation ay dapat ding mabawasan ng sampung beses upang manatili sa loob ng magagamit na saklaw para sa LabVIEW at ang mga amp amp.

Pinagmulan

[1] S. Meek at F. Morris, “Panimula. II - pangunahing terminolohiya.,”BMJ, vol. 324, hindi. 7335, pp. 470–3, Peb. 2002.

[2] Chia-Hung Lin, mga tampok na Frequency-domain para sa ECG ay tinalo ang diskriminasyon gamit ang grey na relational analysis-based classifier, Sa Mga Computer at Matematika na may Aplikasyon, Volume 55, Isyu 4, 2008, Mga Pahina 680-690, ISSN 0898-1221, https://www.sciencingirect.com/science/article/pii…

[3] "Pangalawang Pag-filter ng Order | Pangalawang Order Mababang Pass Filter na Disenyo.” Pangunahing Mga Tutorial sa Elektronika, 9 Setyembre 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…