Цифровой монитор ЭКГ и сердечного ритма: 8 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

ВНИМАНИЕ: Это не медицинское устройство. Это предназначено только для образовательных целей с использованием смоделированных сигналов. При использовании этой схемы для реальных измерений ЭКГ убедитесь, что в цепи и соединениях цепи с прибором используется питание от батареи и другие надлежащие методы изоляции

Электрокардиограмма (ЭКГ) регистрирует электрические сигналы во время сердечного цикла. Каждый раз, когда сердце бьется, происходит цикл деполяризации и гиперполяризации клеток миокарда. Деполяризация и гиперполяризация могут регистрироваться электродами, и врачи читают эту информацию, чтобы узнать больше о том, как работает сердце. ЭКГ может определить инфаркт миокарда, фибрилляцию предсердий или желудочков, тахикардию и брадикардию [1]. Определив по ЭКГ, в чем проблема, врачи могут успешно диагностировать и лечить пациента. Следуйте инструкциям ниже, чтобы узнать, как сделать собственное устройство для записи электрокардиограммы!

Шаг 1: материалы

Компоненты схемы:

• Пять операционных усилителей UA741
• Резисторы
• Конденсаторы
• Провода перемычки
• Плата DAQ
• Программное обеспечение LabVIEW

Испытательное оборудование:

• Генератор функций
• источник постоянного тока
• Осциллограф
• Кабели BNC и тройник
• Соединительные кабели
• Зажимы из кожи аллигатора
• Банановые пробки

Шаг 2: инструментальный усилитель

Первый каскад схемы - инструментальный усилитель. Это усиливает биологический сигнал, так что можно различать различные компоненты ЭКГ.

Принципиальная схема инструментального усилителя показана выше. Коэффициент усиления первого каскада этой схемы определяется как K1 = 1 + 2 * R2 / R1. Коэффициент усиления второй ступени схемы определяется как K2 = R4 / R3. Общий коэффициент усиления инструментального усилителя K1 * K2. Желаемое усиление для этого проекта было приблизительно 1000, поэтому K1 было выбрано равным 31, а K2 было выбрано равным 33. Значения резисторов для этих усилений показаны выше на принципиальной схеме. Вы можете использовать значения резисторов, показанные выше, или изменить их в соответствии с желаемым усилением. **

После того, как вы выбрали параметры компонентов, схему можно построить на макете. Чтобы упростить подключение схем на макетной плате, отрицательная горизонтальная шина вверху была установлена как заземление, а две горизонтальные шины внизу были установлены на +/- 15 В соответственно.

Первый операционный усилитель был размещен с левой стороны макета, чтобы оставить место для всех остальных компонентов. Вложения добавлялись в хронологическом порядке булавок. Это упрощает отслеживание того, какие элементы были добавлены, а какие нет. Как только все контакты для операционного усилителя 1 готовы, можно установить следующий операционный усилитель. Опять же, убедитесь, что это относительно близко, чтобы оставить место. Тот же самый хронологический процесс вывода был выполнен для всех операционных усилителей, пока не был завершен инструментальный усилитель.

Затем в дополнение к принципиальной схеме были добавлены байпасные конденсаторы, чтобы избавиться от связи по переменному току в проводах. Эти конденсаторы были подключены параллельно источнику постоянного напряжения и заземлены на верхней горизонтальной отрицательной шине. Эти конденсаторы должны быть в диапазоне от 0,1 до 1 мкФ. Каждый операционный усилитель имеет два байпасных конденсатора, один для контакта 4 и один для контакта 7. Два конденсатора на каждом операционном усилителе должны иметь одинаковое значение, но могут отличаться от операционного усилителя к операционному усилителю.

Для проверки усиления к входу и выходу усилителя были подключены функциональный генератор и осциллограф соответственно. Входной сигнал также был подключен к осциллографу. Для определения усиления использовалась простая синусоида. Подайте выходной сигнал функционального генератора на две входные клеммы инструментального усилителя. Настройте осциллограф на измерение отношения выходного сигнала к входному. Коэффициент усиления схемы в децибелах равен Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). Для коэффициента усиления 1000 коэффициент усиления в децибелах составляет 60 дБ. Используя осциллограф, вы можете определить, соответствует ли усиление созданной схемы вашим требованиям, или вам нужно изменить некоторые значения резисторов, чтобы улучшить вашу схему.

После того, как инструментальный усилитель будет правильно собран и заработает, можно переходить к режекторному фильтру.

** На схеме выше R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Шаг 3: режекторный фильтр

Режекторный фильтр предназначен для удаления шума из настенного источника питания 60 Гц. Режекторный фильтр ослабляет сигнал на частоте среза и пропускает частоты выше и ниже нее. Для этой схемы желаемая частота среза составляет 60 Гц.

Основные уравнения для приведенной выше принципиальной схемы: R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) и R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), где Q - добротность, а w - 2 * pi * (частота среза). Добротность 8 дает номиналы резистора и конденсатора в разумном диапазоне. Можно предположить, что номиналы конденсаторов одинаковы. Таким образом, вы можете выбрать номинал конденсатора, доступный в ваших наборах. Значения резистора, показанные в приведенной выше схеме, приведены для частоты среза 60 Гц, добротности 8 и емкости конденсатора 0,22 мкФ.

Поскольку конденсаторы добавляются параллельно, два конденсатора выбранного значения C были помещены параллельно, чтобы получить значение 2C. Также к операционному усилителю были добавлены байпасные конденсаторы.

Чтобы проверить режекторный фильтр, соедините выход генератора функций со входом режекторного фильтра. Наблюдайте за входом и выходом схемы на осциллографе. Чтобы иметь эффективный режекторный фильтр, у вас должно быть усиление не более -20 дБ на частоте среза. Поскольку компоненты не идеальны, этого может быть сложно. Расчетные значения резистора и конденсатора могут не дать желаемого усиления. Это потребует от вас изменения номиналов резистора и конденсатора.

Для этого сосредоточьтесь на одном компоненте за раз. Увеличивайте и уменьшайте значение одного компонента, не меняя другие. Обратите внимание на влияние этого на коэффициент усиления схемы. Для достижения желаемого результата может потребоваться много терпения. Помните, что вы можете добавлять резисторы последовательно, чтобы увеличивать или уменьшать номиналы резисторов. Изменение, которое больше всего улучшило наш коэффициент усиления, заключалось в увеличении одного из конденсаторов до 0,33 мкФ.

Шаг 4: фильтр низких частот

Фильтр нижних частот удаляет высокочастотный шум, который может мешать сигналу ЭКГ. Отсечки низких частот 40 Гц достаточно для захвата информации о кривой ЭКГ. Однако некоторые компоненты ЭКГ превышают 40 Гц. Также можно использовать отсечку 100 Гц или 150 Гц [2].

Созданный фильтр нижних частот представляет собой фильтр Баттерворта второго порядка. Поскольку коэффициент усиления нашей схемы определяется инструментальным усилителем, мы хотим, чтобы коэффициент усиления в полосе для фильтра нижних частот был равен 1. При коэффициенте усиления 1 RA замыкается накоротко, а RB замыкается на схеме выше [3]. В схеме C1 = 10 / (fc) uF, где fc - частота среза. C1 должно быть меньше или равно C2 * a ^ 2 / (4 * b). Для фильтра Баттерворта второго порядка a = sqrt (2) и b = 1. Подставляя значения для a и b, уравнение для C2 упрощается до меньшего или равного C1 / 2. Тогда R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a ^ 2 * C2 ^ 2 - 4 * b * C1 * C2))] и R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2), где w = 2 * pi * fc. Расчеты для этой схемы были выполнены для обеспечения частоты отсечки 40 Гц. Номиналы резистора и конденсатора, соответствующие этим характеристикам, показаны на приведенной выше принципиальной схеме.

Операционный усилитель был размещен с правой стороны макета, так как после него не будут добавлены никакие другие компоненты. К операционному усилителю были добавлены резисторы и конденсаторы, чтобы завершить схему. К операционному усилителю также были добавлены байпасные конденсаторы. Входной терминал был оставлен пустым, поскольку вход будет поступать от выходного сигнала режекторного фильтра. Однако в целях тестирования к входному контакту был помещен провод, чтобы можно было изолировать фильтр нижних частот и протестировать его индивидуально.

Синусоидальная волна от функционального генератора использовалась в качестве входного сигнала и наблюдалась на разных частотах. Наблюдайте за входными и выходными сигналами на осциллографе и определите коэффициент усиления схемы на разных частотах. Для фильтра нижних частот усиление на частоте среза должно быть -3 дБ. Для этой схемы отсечка должна происходить при 40 Гц. Частоты ниже 40 Гц не должны иметь ослабления в форме сигнала, но по мере увеличения частоты выше 40 Гц усиление должно продолжать спад.

Шаг 5: Сборка этапов схемы

После того, как вы построили каждый каскад схемы и протестировали их независимо, вы можете соединить их все. Выход инструментального усилителя следует подключить к входу режекторного фильтра. Выход режекторного фильтра должен быть подключен к входу фильтра нижних частот.

Для проверки схемы подключите вход функционального генератора к входу каскада инструментального усилителя. Наблюдайте за входом и выходом схемы на осциллографе. Вы можете протестировать с помощью предварительно запрограммированной волны ЭКГ от функционального генератора или с помощью синусоидальной волны и наблюдать за эффектами вашей схемы. На приведенном выше изображении осциллографа желтая кривая - это входной сигнал, а зеленая кривая - выходной.

После того, как вы подключили все каскады схемы и продемонстрировали, что она работает должным образом, вы можете подключить выход схемы к плате сбора данных и начать программирование в LabVIEW.

Шаг 6: программа LabVIEW

Код LabVIEW предназначен для обнаружения ударов на метр смоделированной волны ЭКГ на разных частотах. Для программирования в LabVIEW вы должны сначала идентифицировать все компоненты. Аналого-цифровой преобразователь, также известный как плата сбора данных (DAQ), должен быть настроен и настроен на непрерывную работу. Выходной сигнал схемы поступает на вход платы сбора данных. График формы сигнала в программе LabVIEW подключается непосредственно к выходу DAQ Assistant. Выходные данные DAQ также попадают в идентификатор макс / мин. Затем сигнал проходит через арифметический оператор умножения. Для расчета порогового значения используется числовой показатель 0,8. Когда сигнал превышает 0,8 * максимум, обнаруживается пик. Каждый раз, когда это значение обнаруживалось, оно сохранялось в массиве индексов. Две точки данных хранятся в массиве индексов и вводятся в арифметический оператор вычитания. Между этими двумя значениями было обнаружено изменение во времени. Затем для расчета частоты пульса 60 делится на разницу во времени. Цифровой индикатор, который отображается рядом с выходным графиком, выводит частоту сердечных сокращений в ударах в минуту (уд / мин) входного сигнала. После того, как программа настроена, все это должно быть помещено в непрерывный цикл while. Разные частотные входы дают разные значения ударов в минуту.

Шаг 7: Соберите данные ЭКГ

Теперь вы можете ввести смоделированный сигнал ЭКГ в свою схему и записать данные в программе LabVIEW! Измените частоту и амплитуду моделируемой ЭКГ, чтобы увидеть, как это повлияет на ваши записанные данные. При изменении частоты вы должны увидеть изменение рассчитанной частоты пульса. Вы успешно создали ЭКГ и пульсометр!

Шаг 8: Дальнейшие улучшения

Созданное устройство будет хорошо работать для получения смоделированных сигналов ЭКГ. Однако, если вы хотите записывать биологические сигналы (обязательно соблюдайте соответствующие меры безопасности), необходимо внести дополнительные изменения в схемы для улучшения считывания сигналов. Следует добавить фильтр верхних частот, чтобы удалить смещение постоянного тока и низкочастотные артефакты движения. Коэффициент усиления инструментального усилителя также должен быть уменьшен в десять раз, чтобы оставаться в пределах диапазона, применимого для LabVIEW и операционных усилителей.

Источники

[1] С. Мик, Ф. Моррис, «Введение. II - основная терминология », BMJ, vol. 324, нет. 7335, стр. 470–3, февраль 2002 г.

[2] Чиа-Хунг Лин, Функции частотной области для распознавания биений ЭКГ с использованием классификатора на основе реляционного анализа серого, In Computers & Mathematics with Applications, Volume 55, Issue 4, 2008, Pages 680-690, ISSN 0898-1221, [3] «Фильтр второго порядка | Конструкция фильтра нижних частот второго порядка ». Учебники по основам электроники, 9 сентября 2016 г., www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…