Kolay Otomatik EKG (1 Amplifikatör, 2 Filtre): 7 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:18

Bir elektrokardiyogram (EKG), cilde yerleştirilen farklı elektrotları kullanarak kalbin elektriksel aktivitesini ölçer ve görüntüler. Bir enstrümantasyon amplifikatörü, çentik filtresi ve alçak geçiren filtre kullanılarak bir EKG oluşturulabilir. Son olarak, filtrelenmiş ve güçlendirilmiş sinyal LabView yazılımı kullanılarak görselleştirilebilir. LabView ayrıca insan öznenin kalp atışını hesaplamak için sinyalin gelen frekansını kullanır. İnşa edilen enstrümantasyon amplifikatörü, vücudun küçük sinyalini alıp 1 V'a yükseltmede başarılı oldu, böylece LabView kullanılarak bilgisayarda görüntülenebildi. Çentik ve alçak geçiren filtreler, güç kaynaklarından gelen 60 Hz gürültüyü ve 350 Hz'nin üzerindeki parazit sinyallerini azaltmada başarılı olmuştur. Dinlenme halindeki kalp atışı, beş dakikalık yoğun egzersizden sonra 75 bpm ve 137 bpm olarak ölçülmüştür. Oluşturulan EKG, kalp atışlarını gerçekçi değerlerde ölçebildi ve tipik bir EKG dalga formunun farklı bileşenlerini görselleştirebildi. Gelecekte, bu EKG, 60 Hz civarında daha fazla gürültüyü azaltmak için çentik filtresindeki pasif değerler değiştirilerek iyileştirilebilir.

Adım 1: Enstrümantasyon Amplifikatörü oluşturun

İhtiyacınız olacak: LTSpice (veya başka bir devre görselleştirme yazılımı)

Enstrümantasyon amplifikatörü, sinyalin boyutunu artırmak için yaratılmıştır, böylece görünür olacak ve dalga formunun analizine izin verecektir.

R1 = 3.3k ohm, R2 = 33k ohm, R3 = 1k ohm, R4 = 48 ohm kullanılarak bir X kazancı elde edilir. Kazanç = - R4/R3 (1+R2/R1) = -47k/1k(1-(33k/3,3k)) = -1008

Son op amp'te sinyal ters çevirme pimine gittiğinden, kazanç 1008'dir. Bu tasarım LTSpice'de oluşturulduktan sonra 1V AC genliği olan bir sinüs dalgası girişi için on yılda 100 nokta ile 1 ila 1 kHz'lik bir AC taraması ile simüle edildi..

Kazancımızın benzer amaçlanan kazanç olup olmadığını kontrol ettik. Grafikten Kazanç = 10^(60/20) = 1000'i bulduk, bu da hedeflenen kazancımız olan 1008'e yeterince yakın.

Adım 2: Çentik Filtresini Oluşturun

İhtiyacınız olacak: LTSpice (veya başka bir devre görselleştirme yazılımı)

Çentik filtresi, belirli bir frekansı ortadan kaldırmak için yüksek geçiş filtresinin izlediği belirli bir düşük geçiş filtresi türüdür. 60Hz'de bulunan tüm elektronik cihazların ürettiği gürültüyü ortadan kaldırmak için bir çentik filtresi kullanılır.

Pasif değerler hesaplandı: C =.1 uF (değer seçildi) 2C =.2 uF (.22 uF kapasitör kullanıldı)

8 AQ faktörü kullanılacaktır: R1 = 1/(2*Q*2*pi*f*C) = 1/(2*8*2*3.14159*60*.1E-6) = 1.66 kOhm (1.8 kOhm) kullanıldı) R2 = 2Q/(2*pi*f*C) = (2*8)/(60 Hz*2*3.14159*.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm idi) kullanılan) Voltaj Bölümü: Rf = R1*R2/(R1 + R2) = 1,8 kOhm * 423 kOhm / (1,8 kOhm + 423 kOhm) = 1,79 kOhm (1,8 kOhm kullanıldı)

Bu filtre tasarımının kazancı 1'dir, bu da amplifikasyon özelliği olmadığı anlamına gelir.

Pasif değerleri takmak ve LTSpice üzerinde bir AC Sweep ve 1 kHz AC frekansına sahip 0,1 V sinüs dalgası giriş sinyali ile simüle etmek, ekli bode grafiğiyle sonuçlanır.

60 Hz civarında bir frekansta, sinyal en düşük voltajına ulaşır. Filtre, giriş voltajı 0,1 V olduğundan, 60 Hz gürültüyü fark edilmeyen 0,01 V voltaja çıkarmada ve 1 kazanç sağlamada başarılıdır.

3. Adım: Düşük Geçiş Filtresini Oluşturun

İhtiyacınız olacak: LTSpice (veya başka bir devre görselleştirme yazılımı)

EKG sinyalini içerecek olan ilgi eşiğinin üzerindeki sinyalleri çıkarmak için bir alçak geçiren filtre oluşturuldu. İlgi eşiği 0 – 350Hz arasındaydı.

Kondansatör değeri.1 uF olarak seçilmiştir. 335 Hz'lik yüksek bir kesme frekansı için gerekli direnç hesaplanır: C = 0.1 uF R = 1/(2pi*0.1*(10^-6)*335 Hz) = 4.75 kOhm (4,7 kOhm kullanıldı)

Pasif değerleri takmak ve bir AC Süpürme ve 1 kHz AC frekansına sahip 0,1 V sinüs dalgası giriş sinyali ile LTSpice üzerinde simülasyon yapmak, eklenen bode grafiğiyle sonuçlanır.

Adım 4: Devreyi Breadboard Üzerinde Oluşturun

İhtiyacınız olacak: farklı değerlerde dirençler, farklı değerlerde kapasitörler, UA 471 işlemsel yükselteçler, atlama kabloları, devre tahtası, bağlantı kabloları, güç kaynağı veya 9 V pil

Artık devrenizi simüle ettiğinize göre, devreyi bir breadboard üzerine kurmanın zamanı geldi. Listelenen tam değerlere sahip değilseniz, sahip olduklarınızı kullanın veya ihtiyacınız olan değerleri elde etmek için dirençleri ve kapasitörleri birleştirin. Ekmek tahtanıza 9 Volt pil veya DC güç kaynağı kullanarak güç vermeyi unutmayın. Her op amp, pozitif ve negatif bir voltaj kaynağına ihtiyaç duyar.

Adım 5: LabView Ortamını Kurun

İhtiyacınız olacak: LabView yazılımı, bir bilgisayar

Dalga formunun görüntülenmesini ve kalp atış hızının hesaplanmasını otomatikleştirmek için LabView kullanıldı. LabView, verileri görselleştirmek ve analiz etmek için kullanılan bir programdır. EKG devresinin çıkışı LabView için girdidir. Veriler girilir, grafiklendirilir ve aşağıda tasarlanan blok diyagrama göre analiz edilir.

İlk olarak, DAQ Assistant devreden analog sinyali alır. Numune alma talimatları burada ayarlanır. Örnekleme hızı saniyede 1k örnek ve aralık 3k ms idi, bu nedenle Dalga Formu Grafiğinde görülen zaman aralığı 3 saniyedir. Dalga Formu Grafiği, DAQ Assistant'tan alınan verileri daha sonra ön panel penceresinde çizer. Blok diyagramın alt kısmı kalp atış hızı hesaplamasını kapsar. İlk önce dalganın maksimum ve minimumu ölçülür. Ardından, bu genlik ölçümleri, maksimum genliğin %95'i olarak tanımlanan piklerin oluşup oluşmadığını belirlemek için kullanılır ve eğer öyleyse zaman noktası kaydedilir. Pikler tespit edildikten sonra, genlik ve zaman noktası dizilerde saklanır. Daha sonra tepe/saniye sayısı dakikaya dönüştürülür ve ön panelde görüntülenir. Ön panel, dalga biçimini ve dakikadaki vuruş sayısını gösterir.

Devre, yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi bir National Instruments ADC aracılığıyla LabVIEW'e bağlandı. Simüle edilmiş EKG sinyalini üreten fonksiyon üreteci, verileri grafik ve analiz için LabView'a aktaran ADC'ye girdi. Ek olarak, LabVIEW'de BPM hesaplandıktan sonra, Şekil 2'de görüldüğü gibi, bu değeri uygulamanın ön panelinde dalga formu grafiğinin yanında yazdırmak için Sayısal Gösterge kullanıldı.

Adım 6: Fonksiyon Üreteci Kullanarak Devreyi Test Edin

Şunlara ihtiyacınız olacak: breadboard üzerinde devre, bağlantı kabloları, bir güç kaynağı veya 9 V pil, National Instruments ADC, LabView Yazılımı, bir bilgisayar

LabView enstrümantasyonunu test etmek için devreye simüle edilmiş bir EKG girişi yapıldı ve devrenin çıkışı National Instruments ADC aracılığıyla LabView'a bağlandı. İlk olarak, dinlenme halindeki kalp atışını simüle etmek için devreye 1 Hz'de 20mVpp'lik bir sinyal girildi. LabView ön paneli aşağıdaki resimde gösterilmektedir. P, T, U dalgası ve QRS kompleksinin tümü görülebilir. BMP doğru bir şekilde hesaplanır ve sayısal göstergede görüntülenir. Devre osiloskopa takılıyken gördüğümüze benzer şekilde devre üzerinden yaklaşık 8 V/0.02 V = 400 kazanç vardır. LabView'deki sonucun bir resmi ektedir. Daha sonra, örneğin egzersiz sırasında yükseltilmiş bir kalp atışını simüle etmek için devreye 2Hz'de 20mVpp'lik bir sinyal girdi. Dinlenme kalp hızında testte karşılaştırılabilir bir kazanç vardı. Dalga formunun altında, sadece daha hızlı bir oranda öncekiyle aynı parçalara sahip olduğu görülüyor. Kalp atış hızı hesaplanır ve sayısal göstergede görüntülenir ve beklenen 120 BPM'yi görürüz.

Adım 7: İnsan Denek Kullanarak Devreyi Test Edin

Şunlara ihtiyacınız olacak: devre tahtasında devre, bağlantı kabloları, bir güç kaynağı veya 9 V pil, National Instruments ADC, LabView Yazılımı, bir bilgisayar, elektrotlar (en az üç), bir insan denek

Son olarak, devre, bir insan denek EKG kablosu girişini devreye ve devrenin çıkışının LabView'a girmesini test ediyordu. Gerçek bir sinyal almak için bir özneye üç elektrot yerleştirildi. Her iki el bileğine ve sağ ayak bileğine elektrotlar yerleştirildi. Sağ bilek pozitif girdi, sol bilek negatif ve ayak bileği topraklandı. Yine veriler işlenmek üzere LabView'a girildi. Elektrot konfigürasyonu resim olarak eklenmiştir.

İlk olarak, deneğin dinlenme EKG sinyali görüntülendi ve analiz edildi. Dinlenirken, denek kabaca 75 bpm kalp atış hızına sahipti. Denek daha sonra 5 dakika boyunca yoğun fiziksel aktiviteye katıldı. Denek yeniden bağlandı ve yükselen sinyal kaydedildi. Kalp atış hızı, aktiviteden sonra kabaca 137 bpm idi. Bu sinyal daha küçüktü ve daha fazla gürültüye sahipti. Her iki el bileğine ve sağ ayak bileğine elektrotlar yerleştirildi. Sağ bilek pozitif girdi, sol bilek negatif ve ayak bileği topraklandı. Yine veriler işlenmek üzere LabView'a girildi.

Ortalama bir kişinin EKG sinyali yaklaşık 1mV'dir. Beklenen kazancımız yaklaşık 1000 idi, bu nedenle 1V'luk bir çıkış voltajı beklerdik. Görüntü XX'de görülen hareketsiz kayıttan, QRS kompleksinin genliği kabaca (-0,7)- (-1,6) = 0,9 V'dir. Bu, %10'luk bir hata üretir. (1-0.9)/1*100 = %10 Standart bir insanın dinlenme kalp atış hızı 60'tır, ölçülen değer yaklaşık 75'tir, bu |60-75|*100/60 = %25 hata üretir. Standart bir insanın yükseltilmiş kalp atış hızı 120'dir, ölçülen değer yaklaşık 137'dir, bu |120-137|*100/120 = %15 hata üretir.

Tebrikler! Artık kendi otomatik EKG'nizi oluşturdunuz.