Pagrekord ng Mga Senyong Bioelectric: ECG at Monitor ng Rate ng Puso: 7 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 tiyakin na ang circuit at ang mga koneksyon sa circuit-to-instrument ay gumagamit ng wastong mga diskarte sa paghihiwalay.

Ang isang electrocardiogram (ECG) ay isang pagsubok kung saan ang mga electrode sa ibabaw ay inilalagay sa isang paksa sa isang tinukoy na paraan upang makita at masukat ang aktibidad ng kuryente ng puso ng paksa [1]. Ang isang ECG ay maraming gamit at maaaring gumana upang makatulong sa pagsusuri ng mga kondisyon sa puso, mga pagsusuri sa stress, at pagmamasid habang nasa operasyon. Maaari ding makita ng isang ECG ang mga pagbabago sa mga pintig ng puso, arrhythmia, atake sa puso, at maraming iba pang mga karanasan at sakit [1] na inilarawan din sa pahayag ng problema sa itaas. Ang signal ng puso na sinusukat ng isang ECG ay gumagawa ng tatlong magkakaibang mga form ng alon na naglalarawan ng isang live na feed ng gumaganang puso. Ipinapakita ang mga ito sa imahe sa itaas.

Ang layunin ng proyektong ito ay upang lumikha ng isang aparato na maaaring makakuha ng signal ng ECG mula sa isang output generator o tao at kopyahin ang signal habang inaalis ang ingay. Kakalkula din ng output ng system ang BPM.

Magsimula na tayo!

Hakbang 1: Ipunin ang Lahat ng Mga Materyal

Upang likhain ang ECG na ito, lilikha kami ng isang system na binubuo ng dalawang pangunahing bahagi, ang circuit at ang LabVIEW system. Ang layunin ng circuit ay upang matiyak na nakakakuha kami ng signal na gusto namin. Mayroong maraming ingay na paligid na maaaring malunod ang aming ECG signal, kaya kailangan naming palakasin ang aming signal pati na rin i-filter ang anumang ingay. Matapos ang signal ay nai-filter at palakasin sa pamamagitan ng circuit, maaari naming ipadala ang pino signal sa isang programa ng LabVIEW na magpapakita ng waveform pati na rin kalkulahin ang BPM. Ang mga sumusunod na materyales ay kinakailangan para sa proyektong ito:

-Resistor, capacitor, at pagpapatakbo amplifier (op-amps - ginamit ang UA741) mga sangkap na elektrikal

-Soldless breadboard para sa pagbuo at pagsubok

-DC power supply upang magbigay ng lakas sa mga op-amp

-Function generator upang magbigay ng signal ng bioelectric

-Oscilloscope upang matingnan ang signal ng pag-input

-DAQ board upang i-convert ang signal mula sa analog sa digital

-LabVIEW software para sa pagmamasid ng output signal

-BNC at variable end lead cables

Hakbang 2: Pagdidisenyo ng Circuit

Tulad ng napag-usapan lamang, kinakailangan na parehong i-filter at palakasin ang aming signal. Upang magawa ito, maaari naming i-set up ang 3 magkakaibang mga yugto ng aming circuit. Una, kailangan nating palakasin ang aming signal. Maaari itong magawa sa pamamagitan ng paggamit ng isang amplifier ng kagamitan. Sa ganitong paraan, ang aming input signal ay maaaring makita nang mas mahusay sa panghuling produkto. Kailangan namin pagkatapos ay magkaroon ng isang filter ng bingaw sa serye gamit ang amplifier ng instrumento na ito. Gagamitin ang filter ng bingaw upang maalis ang ingay mula sa aming mapagkukunan ng kuryente. Pagkatapos nito, maaari kaming magkaroon ng isang mababang pass filter. Dahil ang pagbabasa ng ECG ay karaniwang mababa ang dalas, nais naming putulin ang lahat ng mga frequency na nasa isang dalas na wala sa aming mga hangganan sa pagbabasa ng ECG, kaya gumagamit kami ng isang mababang pass filter. Ang mga yugtong ito ay ipinaliwanag nang mas detalyado sa mga sumusunod na hakbang.

Kung nagkakaproblema ka sa iyong circuit, pinakamahusay na gayahin ang iyong circuit sa isang online na programa. Sa ganitong paraan, maaari mong suriin upang makita kung ang iyong mga kalkulasyon para sa resistor at mga halaga ng capacitor ay tama.

Hakbang 3: Pagdidisenyo ng Instrumentation Amplifier

Upang mas mahusay na masunod ang senyas ng bioelectric, kailangang palakasin ang signal. Para sa proyektong ito, upang makamit upang makamit ang pangkalahatang ay 1000 V / V. Upang maabot ang tinukoy na nakuha mula sa amplifier ng instrumento, ang mga halaga ng paglaban para sa circuit ay kinakalkula ng mga sumusunod na equation:

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

(Yugto 2) K2 = -R4 / R3

Kung saan ang bawat isa sa mga yugto ay pinarami upang makalkula ang pangkalahatang nakuha. Ang mga halagang resistor ay pinili upang lumikha ng isang makakuha ng 1000 V / V ay R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms, at R4 = 330 kOhms. Gamitin ang suplay ng kuryente ng DC upang magbigay ng saklaw ng boltahe na +/- 15 V (pinapanatili ang kasalukuyang limitasyon na mababa) upang mapagana ang mga op-amp ng pisikal na circuit. Kung nais mong suriin ang totoong mga halaga ng mga resistors, o nais na makamit ang nakuha bago magtayo, maaari mong gayahin ang circuit gamit ang isang programa tulad ng PSpice o CircuitLab online, o gumamit ng isang oscilloscope na may isang naibigay na boltahe ng signal ng input at suriin para sa totoo makakuha pagkatapos ng pagbuo ng isang pisikal na amplifier. Ikonekta ang function generator at oscilloscope sa amplifier upang patakbuhin ang circuit.

Ang larawan sa itaas ay naglalarawan kung ano ang hitsura ng circuit sa simulation software PSpice. Upang suriin na gumagana nang maayos ang iyong circuit, magbigay ng isang 1 kHz 10 mV na rurok sa rurok ng sine mula sa function generator, sa pamamagitan ng circuit, at sa oscilloscope. Ang isang 10 V na rurok-sa-rurok na alon ng sine ay dapat na sundin sa oscilloscope.

Hakbang 4: Pagdidisenyo ng Filter ng Notch

Ang isang tukoy na problema kapag nakikipag-usap sa circuit na ito ay ang katunayan na ang isang 60 Hz ingay signal ay ginawa ng mga linya ng supply ng kuryente sa Estados Unidos. Upang alisin ang ingay na ito, ang input signal sa circuit ay dapat na-filter sa 60 Hz, at kung anong mas mahusay na paraan upang gawin iyon kaysa sa isang notch filter!

Ang isang notch filter (ang circuit na nakalarawan sa itaas) ay isang tiyak na uri ng electrical filter na maaaring magamit upang alisin ang isang tukoy na dalas mula sa isang senyas. Upang alisin ang signal na 60 Hz, kinakalkula namin ang mga sumusunod na equation:

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

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

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Paggamit ng isang factor ng kalidad (Q) ng 8 upang magdisenyo ng isang disente na tumpak na filter, isang capacitance (C) na 0.033 uFarads para sa mas madaling pagpupulong, at isang dalas ng gitna (w) ng 2 * pi * 60 Hz. Matagumpay na kinakalkula ang mga halaga para sa resistors R1 = 5.024 kOhms, R2 = 1.2861 MOhms, at R3 = 5.004 kOhms, at matagumpay na lumikha ng isang filter upang alisin ang isang 60 Hz dalas mula sa input ng bioelectric signal. Kung nais mong suriin ang filter maaari mong gayahin ang circuit gamit ang isang programa tulad ng PSpice o CircuitLab online, o gumamit ng isang oscilloscope na may isang ibinigay na boltahe ng signal ng input at suriin ang tinanggal na signal pagkatapos bumuo ng isang pisikal na amplifier. Ikonekta ang function generator at oscilloscope sa amplifier upang patakbuhin ang circuit.

Ang pagsasagawa ng isang AC sweep sa circuit na ito sa isang saklaw ng mga frequency mula 1 Hz hanggang 1 kHz sa isang 1 V na rurok hanggang sa rurok na signal ay dapat na magbunga ng isang tampok na "notch" na uri ng 60 Hz sa output plot, na aalisin mula sa input signal

Hakbang 5: Pagdidisenyo ng Mababang Pass Filter

Ang pangwakas na yugto ng circuit ay ang mababang pass filter, partikular ang isang Second Order Butterworth Low-pass filter. Ginagamit ito upang ihiwalay ang aming ECG signal. Ang mga ECG waveform ay karaniwang nasa loob ng mga hangganan ng dalas na 0 hanggang ~ 100 Hz. Kaya, kinakalkula namin ang aming mga halaga ng risistor at capacitor batay sa dalas ng cutoff na 100 Hz at isang kalidad na kadahilanan ng 8, na magbibigay sa amin ng isang medyo tumpak na 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

Ang mga halagang kinakalkula namin ay nagtapos sa pagiging R1 = 81.723kOhms, R2 = 120.92kOHms, C1 = 0.1 microFarads, at C2 = 0.045 microFarads. Lakasin ang mga op-amp na may boltahe ng DC na + at - 15V. Kung nais mong suriin ang filter maaari mong gayahin ang circuit gamit ang isang programa tulad ng PSpice o CircuitLab online, o gumamit ng isang oscilloscope na may isang ibinigay na boltahe ng signal ng input at suriin ang tinanggal na signal pagkatapos bumuo ng isang pisikal na amplifier. Ikonekta ang function generator at oscilloscope sa amplifier upang patakbuhin ang circuit. Sa dalas ng cutoff, dapat mong makita ang isang magnitude ng -3 dB. Ipinapahiwatig nito na gumagana nang tama ang iyong circuit.

Hakbang 6: Pagse-set up ng LabVIEW

Ngayon na nilikha ang circuit, nais naming maipaliwanag ang aming signal. Upang magawa ito, maaari naming magamit ang LabVIEW. Maaaring magamit ang isang katulong sa DAQ upang makuha ang signal mula sa circuit. Matapos buksan ang LabVIEW, i-set up ang circuit tulad ng ipinakita sa diagram sa itaas. Dadalhin ng katulong ng DAQ ang input na ito ng pag-input mula sa circuit at ang signal ay pupunta sa grapform graph. Papayagan ka nitong makita ang ECG waveform!

Susunod na nais naming kalkulahin ang BPM. Gagawin ito ng pag-set up sa itaas para sa iyo. Gumagana ang programa sa pamamagitan ng unang pagkuha ng maximum na mga halaga ng papasok na signal ng ECG. Hinahayaan ka ng halaga ng threshold na makita ang lahat ng mga bagong halagang darating kung saan umaabot sa isang porsyento ng aming maximum na halaga (sa kasong ito, 90%). Ang mga lokasyon ng mga halagang ito ay ipinapadala sa pag-index ng array. Dahil ang pag-index ay nagsisimula sa 0, nais naming kunin ang ika-0 at ika-1 na punto at kalkulahin ang pagbabago sa oras sa pagitan nila. Binibigyan tayo nito ng oras sa pagitan ng mga beats. Pagkatapos ay extrapolate namin ang data na iyon upang mahanap ang BPM. Partikular, ginagawa ito sa pamamagitan ng pag-multiply ng output mula sa elemento ng dt at ng output ng pagbabawas sa pagitan ng dalawang halaga sa mga array ng pag-index, at pagkatapos ay paghahati ng 60 (dahil nagko-convert kami sa minuto).

Hakbang 7: Ikonekta Ito Lahat at Subukan Ito

Ikonekta ang circuit sa input ng DAQ board. Ngayon ang senyas na iyong na-input ay dumaan sa circuit sa DAQ board at ang programa ng LabVIEW ay maglalabas ng waveform at ang kinakalkula na BPM.

Congrats!