Basit EKG Kayıt Devresi ve LabVIEW Nabız Monitörü: 5 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:21

"Bu tıbbi bir cihaz değildir. Bu, yalnızca simülasyon sinyalleri kullanılarak eğitim amaçlıdır. Bu devreyi gerçek EKG ölçümleri için kullanıyorsanız, lütfen devrenin ve devre-enstrüman bağlantılarının uygun izolasyon tekniklerini kullandığından emin olun."

Modern sağlık hizmetlerinin en temel yönlerinden biri, EKG veya elektrokardiyogram kullanarak kalp dalgasını yakalama yeteneğidir. Bu teknikler, kalpten yayılan çeşitli elektrik modellerini ölçmek için yüzey elektrotlarını kullanır, böylece çıktı, çeşitli taşikardi formları, dal bloğu ve hipertrofi gibi kalp ve akciğer rahatsızlıklarını teşhis etmek için bir teşhis aracı olarak kullanılabilir. Bu durumları teşhis etmek için çıkış dalga biçimi normal bir EKG sinyaliyle karşılaştırılır.

EKG dalga biçimini elde edebilen bir sistem oluşturmak için, sinyalin önce yükseltilmesi ve ardından gürültüyü gidermek için uygun şekilde filtrelenmesi gerekir. Bunun için OP amfiler kullanılarak üç kademeli bir devre kurulabilir.

Bu Eğitilebilir Tablo, yüzey elektrotlarını kullanarak bir EKG sinyalini kaydedebilen ve ardından daha fazla işleme ve analiz için bu sinyali filtreleyebilen basit bir devre tasarlamak ve oluşturmak için gerekli bilgileri sağlayacaktır. Ek olarak, bu Eğitilebilir Tablo, devre çıkışının grafiksel bir temsilini oluşturmak amacıyla bu sinyali analiz etmek için kullanılan bir tekniğin yanı sıra EKG dalga biçimi devre çıkışından kalp atış hızını hesaplamak için bir yöntemi ana hatlarıyla açıklayacaktır.

Not: Her aşamayı tasarlarken, istenen devre davranışını sağlamak için hem deneysel olarak hem de simülasyonlar yoluyla AC taramaları gerçekleştirdiğinizden emin olun.

Adım 1: Enstrümantasyon Amplifikatörünü Tasarlayın ve Yapın

Bu EKG devresindeki ilk aşama, üç OP amperden oluşan bir enstrümantasyon yükselticisidir. İlk iki OP amplifikatörü, arabelleğe alınmış girişlerdir ve bunlar daha sonra diferansiyel amplifikatör olarak işlev gören üçüncü bir OP amplifikatörüne beslenir. Gövdeden gelen sinyaller tamponlanmalıdır, aksi takdirde gövde fazla akım sağlayamadığı için çıkış azalacaktır. Diferansiyel amplifikatör, ölçülebilir bir potansiyel fark sağlamak için iki giriş kaynağı arasındaki farkı alırken, aynı anda ortak gürültüyü de ortadan kaldırır. Bu aşama ayrıca tipik mV'yi daha okunabilir bir voltaja yükselten 1000'lik bir kazanca sahiptir.

Enstrümantasyon amplifikatörü için 1000'lik devre kazancı, gösterilen denklemlerle hesaplanır. Enstrümantasyon amplifikatörünün 1. kademe kazancı (2) ile hesaplanır ve enstrümantasyon amplifikatörünün 2. kademe kazancı (3) ile hesaplanır. K1 ve K2 birbirinden 15 değerinden fazla farklı olmayacak şekilde hesaplanmıştır.

1000 kazanç için K1 40'a ve K2 25'e ayarlanabilir. Direnç değerlerinin tümü hesaplanabilir, ancak bu özel enstrümantasyon amplifikatörü aşağıdaki direnç değerlerini kullandı:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

Adım 2: Çentik Filtresini Tasarlayın ve Oluşturun

Bir sonraki aşama, elektrik prizinden gelen 60 Hz sinyalini ortadan kaldırmak için bir çentik filtresidir.

Çentik filtrede R1'in direnç değeri (4), R2 değeri (5) ve R3 değeri (6) ile hesaplanır. Devrenin kalite faktörü, Q, 8'e ayarlanmıştır, çünkü bu, gerçekçi olarak doğru olmakla birlikte makul bir hata payı verir. Q değeri (7) ile hesaplanabilir. Çentik filtresinin son yönetim denklemi bant genişliğini hesaplamak için kullanılır ve (8) ile tanımlanır. 8 kalite faktörüne ek olarak, çentik filtresinin başka tasarım özellikleri de vardı. Bu filtre, 60 Hz sinyali kaldırırken sinyali değiştirmemesi için kazancı 1 olacak şekilde tasarlanmıştır.

Bu denklemlere göre R1 = 11.0524 kΩ, R2 = 2.829 MΩ, R3 = 11.009 kΩ ve C1 = 15 nF

Adım 3: 2. Derece Butterworth Alçak Geçiren Filtreyi Tasarlayın ve Yapın

Son aşama, WiFi gürültüsü gibi bir EKG dalgasının en yüksek frekans bileşeninin üzerinde oluşabilecek tüm sinyalleri ve ilgilenilen sinyalden dikkati dağıtabilecek diğer ortam sinyallerini ortadan kaldıran bir alçak geçiren filtredir. Bu aşama için -3dB noktası 150 Hz civarında veya yakınında olmalıdır, çünkü bir EKG dalga aralığında standart sinyal aralığı 0,05 Hz ila 150 Hz arasındadır.

Alçak geçiren ikinci dereceden Butterworth filtresini tasarlarken, devrenin kazancı 1 olacak şekilde ayarlanır, bu da daha basit bir devre tasarımına izin verir. Daha fazla hesaplama yapmadan önce, alçak geçiren filtrenin istenen kesme frekansının 150 Hz'e ayarlı olduğuna dikkat etmek önemlidir. Diğer denklemler bu değere bağlı olduğundan, kondansatör 2, C2'nin değerini hesaplayarak başlamak en kolayıdır. C2 (9) ile hesaplanabilir. C2'nin hesaplanmasından devam edilerek, C1 (10) ile hesaplanabilir. Bu alçak geçiren filtre durumunda, a ve b katsayıları a = 1.414214 ve b = 1 olmak üzere tanımlanır. R1'in direnç değeri (11) ile, R2'nin direnç değeri (12) ile hesaplanır..

Aşağıdaki değerler kullanıldı:

R1 = 13.842kΩ

R2 = 54.36kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

Adım 4: Veri Toplama ve Analiz için Kullanılan LabVIEW Programını Kurun

Daha sonra, bir EKG sinyalinden bir kalp atışının grafiksel bir temsilini oluşturacak ve aynı sinyalden kalp atış hızını hesaplayacak bir görev oluşturmak için LabView bilgisayar programı kullanılabilir. LabView programı bunu, önce bir analogdan dijitale dönüştürücü görevi gören bir DAQ kartından bir analog girişi kabul ederek gerçekleştirir. Bu dijital sinyal daha sonra hem daha fazla analiz edilir hem de çizilir; burada çizim, DAQ kartına girilen sinyalin grafiksel temsilini gösterir. Sinyal dalga biçimi, kabul edilen dijital sinyalin maksimum değerlerinin %80'i alınarak analiz edilir ve ardından sinyalin bu tepe noktalarını saptamak için bir tepe detektör işlevi kullanır. Program aynı anda dalga biçimini alır ve dalga biçiminin tepe noktaları arasındaki zaman farkını hesaplar. Zirve tespiti, 1 veya 0'ın eşlik eden değerleri ile birleştirilir, burada 1, zirvelerin konumunun bir indeksini oluşturmak için bir zirveyi temsil eder ve bu indeks daha sonra kalp atış hızını matematiksel olarak hesaplamak için zirveler arasındaki zaman farkı ile birlikte kullanılır. dakikada atım sayısı (BPM). LabView programında kullanılan blok diyagram gösterilmektedir.

Adım 5: Tam Montaj

Tüm devrelerinizi ve LabVIEW programınızı oluşturduktan ve her şeyin düzgün çalıştığından emin olduktan sonra, bir EKG sinyali kaydetmeye hazırsınız. Resimde, tam devre sistem montajının olası bir şeması görülmektedir.

Pozitif elektrodu sağ bileğinize ve daire içine alınmış enstrümantasyon amplifikatör girişlerinden birine ve negatif elektrodu sol bileğinize ve diğer enstrümantasyon amplifikatör girişine resimdeki gibi bağlayın. Elektrot girişinin sırası önemli değildir. Son olarak, ayak bileğinize bir toprak elektrotu yerleştirin ve devrenizdeki toprağa bağlayın. Tebrikler, kayıt ve EKG sinyali için gerekli tüm adımları tamamladınız.