Запись биоэлектрических сигналов: ЭКГ и монитор сердечного ритма: 7 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 используются надлежащие методы изоляции.

Электрокардиограмма (ЭКГ) - это тест, в котором поверхностные электроды помещаются на пациента определенным образом для обнаружения и измерения электрической активности сердца пациента [1]. ЭКГ имеет множество применений и может помочь в диагностике сердечных заболеваний, стресс-тестах и наблюдении во время операции. ЭКГ также может обнаруживать изменения сердечных сокращений, аритмию, сердечный приступ и многие другие переживания и заболевания [1], также описанные в формулировке проблемы выше. Сердечный сигнал, измеренный с помощью ЭКГ, дает три различных формы волны, которые отображают прямую трансляцию работающего сердца, как показано на изображении выше.

Цель этого проекта - создать устройство, которое может получать сигнал ЭКГ от выходного генератора или человека и воспроизводить сигнал, устраняя при этом шум. Выходные данные системы также будут рассчитывать BPM.

Давайте начнем!

Шаг 1. Соберите все материалы

Чтобы создать эту ЭКГ, мы создадим систему, которая состоит из двух основных частей: схемы и системы LabVIEW. Цель схемы - убедиться, что мы получаем нужный нам сигнал. Существует много окружающего шума, который может заглушить наш сигнал ЭКГ, поэтому нам необходимо усилить наш сигнал, а также отфильтровать любой шум. После того, как сигнал был отфильтрован и усилен через схему, мы можем отправить улучшенный сигнал в программу LabVIEW, которая отобразит форму волны, а также вычислит BPM. Для этого проекта необходимы следующие материалы:

-Резистор, конденсатор и операционный усилитель (использовались операционные усилители - UA741) электрические компоненты

-Беспаечный макет для сборки и тестирования

-Источник питания постоянного тока для питания операционных усилителей

-Функция генератора для подачи биоэлектрического сигнала

-Осциллограф для просмотра входного сигнала

-Плата DAQ для преобразования сигнала из аналогового в цифровой

-LabVIEW для наблюдения за выходным сигналом

-BNC и кабели с переменным концом

Шаг 2: проектирование схемы

Как мы только что обсуждали, необходимо как фильтровать, так и усиливать наш сигнал. Для этого мы можем настроить 3 различных этапа нашей схемы. Во-первых, нам нужно усилить наш сигнал. Это можно сделать с помощью инструментального усилителя. Таким образом, наш входной сигнал может быть лучше виден в конечном продукте. Затем нам необходимо установить режекторный фильтр последовательно с этим инструментальным усилителем. Режекторный фильтр будет использоваться для устранения шума от нашего источника питания. После этого у нас может быть фильтр нижних частот. Поскольку показания ЭКГ обычно имеют низкую частоту, мы хотим отсечь все частоты, которые находятся за пределами наших границ считывания ЭКГ, поэтому мы используем фильтр нижних частот. Эти этапы более подробно описаны в следующих этапах.

Если у вас возникли проблемы с вашей схемой, лучше всего смоделировать вашу схему в онлайн-программе. Таким образом, вы можете проверить правильность ваших расчетов номиналов резистора и конденсатора.

Шаг 3: проектирование инструментального усилителя

Чтобы более эффективно наблюдать биоэлектрический сигнал, его необходимо усилить. Для этого проекта общее усиление составляет 1000 В / В. Для достижения указанного коэффициента усиления инструментального усилителя значения сопротивления схемы были рассчитаны по следующим уравнениям:

(Этап 1) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(Этап 2) K2 = -R4 / R3

Где каждая из ступеней умножается для расчета общего усиления. Значения резистора, выбранные для создания коэффициента усиления 1000 В / В: R1 = 10 кОм, R2 = 150 кОм, R3 = 10 кОм и R4 = 330 кОм. Используйте источник питания постоянного тока, чтобы обеспечить диапазон напряжения +/- 15 В (поддерживая низкий предел тока) для питания операционных усилителей физической схемы. Если вы хотите проверить истинные значения резисторов или достичь этого коэффициента усиления перед сборкой, вы можете смоделировать схему, используя онлайн-программу, такую как PSpice или CircuitLab, или использовать осциллограф с заданным напряжением входного сигнала и проверить истинное значение. усиление после создания физического усилителя. Подключите функциональный генератор и осциллограф к усилителю, чтобы запустить схему.

На фотографии выше показано, как выглядит схема в программе моделирования PSpice. Чтобы проверить, что ваша схема работает правильно, подайте синусоидальную волну 1 кГц 10 мВ от функционального генератора через схему к осциллографу. На осциллографе должна наблюдаться размах синусоидального сигнала 10 В.

Шаг 4: разработка режекторного фильтра

Конкретной проблемой при работе с этой схемой является тот факт, что шумовой сигнал 60 Гц генерируется линиями электропитания в Соединенных Штатах. Чтобы удалить этот шум, входной сигнал в схему должен быть отфильтрован с частотой 60 Гц, и что может быть лучше, чем с помощью режекторного фильтра!

Режекторный фильтр (схема, изображенная выше) - это определенный тип электрического фильтра, который можно использовать для удаления определенной частоты из сигнала. Чтобы удалить сигнал 60 Гц, мы рассчитали следующие уравнения:

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

R2 = (2 * Q) / (ш * C)

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

Q = w / B

В = w2 - w1

Используя коэффициент качества (Q), равный 8, для создания достаточно точного фильтра, емкость (C) 0,033 мкФ для упрощения сборки и центральную частоту (w) 2 * pi * 60 Гц. Это успешно вычислило значения для резисторов R1 = 5,024 кОм, R2 = 1,2861 МОм и R3 = 5,004 кОм, и успешно создал фильтр для удаления частоты 60 Гц из входного биоэлектрического сигнала. Если вы хотите проверить фильтр, вы можете смоделировать схему, используя онлайн-программу PSpice или CircuitLab, или использовать осциллограф с заданным напряжением входного сигнала и проверить удаленный сигнал после создания физического усилителя. Подключите функциональный генератор и осциллограф к усилителю, чтобы запустить схему.

Выполнение развертки по переменному току с этой схемой в диапазоне частот от 1 Гц до 1 кГц при размахе сигнала 1 В должно привести к появлению на выходном графике функции типа «выемка» при 60 Гц, которая удаляется из входного сигнала. сигнал.

Шаг 5: разработка фильтра низких частот

Последним каскадом схемы является фильтр нижних частот, в частности фильтр нижних частот Баттерворта второго порядка. Это используется для выделения нашего сигнала ЭКГ. Кривые ЭКГ обычно находятся в диапазоне частот от 0 до ~ 100 Гц. Итак, мы рассчитываем номиналы резистора и конденсатора на основе частоты среза 100 Гц и коэффициента качества 8, что дает нам относительно точный фильтр.

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

Рассчитанные нами значения оказались равными R1 = 81,723 кОм, R2 = 120,92 кОм, C1 = 0,1 мкФ и C2 = 0,045 мкФ. Подайте питание на операционные усилители постоянным напряжением + и - 15 В. Если вы хотите проверить фильтр, вы можете смоделировать схему, используя онлайн-программу PSpice или CircuitLab, или использовать осциллограф с заданным напряжением входного сигнала и проверить удаленный сигнал после создания физического усилителя. Подключите функциональный генератор и осциллограф к усилителю, чтобы запустить схему. На частоте среза вы должны увидеть величину -3 дБ. Это указывает на то, что ваша схема работает правильно.

Шаг 6: Настройка LabVIEW

Теперь, когда схема создана, мы хотим иметь возможность интерпретировать наш сигнал. Для этого мы можем использовать LabVIEW. Для получения сигнала от схемы можно использовать помощник DAQ. После открытия LabVIEW настройте схему, как показано на схеме выше. Ассистент сбора данных принимает это входное значение из схемы, и сигнал переходит на график формы волны. Это позволит вам увидеть кривую ЭКГ!

Далее мы хотим рассчитать BPM. Вышеуказанная настройка сделает это за вас. Программа работает, сначала беря максимальные значения входящего сигнала ЭКГ. Пороговое значение позволяет нам обнаруживать все новые поступающие значения, которые достигают процента от нашего максимального значения (в данном случае 90%). Расположение этих значений затем отправляется в индексирующий массив. Поскольку индексация начинается с 0, мы хотим взять 0-ю и 1-ю точку и вычислить изменение времени между ними. Это дает нам время между ударами. Затем мы экстраполируем эти данные, чтобы найти BPM. В частности, это делается путем умножения выходных данных элемента dt и выходных данных вычитания между двумя значениями в индексных массивах, а затем деления на 60 (поскольку мы конвертируем в минуты).

Шаг 7: Подключите все и протестируйте

Подключите схему ко входу платы DAQ. Теперь сигнал, который вы вводите, будет проходить по цепи на плату сбора данных, и программа LabVIEW выведет форму волны и рассчитанный BPM.

Поздравляю!