Bir EKG Dijital Monitörü ve Devresi Tasarlamak: 5 Adım

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

Bu tıbbi bir cihaz değildir. Bu, yalnızca simüle edilmiş sinyallerin kullanıldığı eğitim amaçlıdır. Bu devreyi gerçek EKG ölçümleri için kullanıyorsanız, lütfen devrenin ve devre-enstrüman bağlantılarının uygun izolasyon tekniklerini kullandığından emin olun

Bu projenin amacı, elektrokardiyogram olarak da bilinen bir EKG sinyalini yükseltebilen ve filtreleyebilen bir devre oluşturmaktır. Kalp döngüsünün farklı aşamalarında kalbin çeşitli bölümlerinden geçen elektrik sinyallerini tespit edebildiği için kalp atış hızı ve kalp ritmini belirlemek için bir EKG kullanılabilir. Burada EKG'yi yükseltmek ve filtrelemek için bir enstrümantasyon yükselticisi, çentik filtresi ve alçak geçiren bir filtre kullanıyoruz. Ardından, LabView kullanılarak dakika başına atım hesaplanır ve EKG'nin grafiksel bir temsili görüntülenir. Bitmiş ürün yukarıda görülebilir.

Adım 1: Enstrümantasyon Amplifikatörü

Enstrümantasyon amplifikatörü için gerekli kazanç 1000 V/V'dir. Bu, gelen sinyalin çok daha küçük olan yeterli amplifikasyonuna izin verecektir. Enstrümantasyon amplifikatörü Aşama 1 ve Aşama 2 olmak üzere iki kısma ayrılır. Her bir aşamanın (K) kazancı benzer olmalıdır, böylece birlikte çarpıldığında kazanç 1000 civarında olur. Kazancı hesaplamak için aşağıdaki denklemler kullanılır.

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

K2 = -R4/R3

Bu denklemlerden R1, R2, R3 ve R4 değerleri bulunmuştur. Resimlerde görülen devreyi kurmak için üç adet uA741 İşlemsel Yükselteç ve direnç kullanılmıştır. Op amp'ler bir DC güç kaynağından 15V ile çalışır. Enstrümantasyon Amplifikatörünün girişi bir Fonksiyon Üreticisine ve çıkış bir Osiloskopa bağlandı. Ardından, bir AC taraması yapıldı ve yukarıdaki "Enstrümantasyon Amplifikatörü Kazancı" grafiğinde görülebileceği gibi Enstrümantasyon Amplifikatörü kazancı bulundu. Son olarak devre, yukarıdaki siyah grafikte görülebileceği gibi, kazancın bir simülasyonunun çalıştırıldığı LabView'da yeniden oluşturuldu. Sonuçlar devrenin doğru çalıştığını doğruladı.

2. Adım: Çentik Filtresi

Çentik filtresi, 60 Hz'de oluşan gürültüyü gidermek için kullanılır. Bileşenlerin değerleri aşağıdaki denklemler kullanılarak hesaplanabilir. 8'lik bir kalite faktörü (Q) kullanıldı. Mevcut kapasitörler göz önüne alındığında C seçildi.

R1 = 1/(2*Q*ω*C)

R2 = 2*Q/(ω*C)

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

Direnç ve kondansatör değerleri bulundu ve yukarıdaki devre yapıldı, hesaplanan değerler orada görülebilir. İşlemsel yükselticiye, giriş bir Fonksiyon Üretecine ve çıkış bir Osiloskopa bağlı olarak bir DC Güç Kaynağı ile güç sağlandı. Bir AC Süpürme işleminin çalıştırılması, yukarıdaki "Çentik Filtresi AC Süpürme" grafiğiyle sonuçlandı ve bu, 60 Hz'lik bir frekansın kaldırıldığını gösteriyor. Bunu doğrulamak için, sonuçları doğrulayan bir LabView simülasyonu çalıştırıldı.

3. Adım: Düşük Geçiş Filtresi

250 Hz'lik bir kesme frekansı ile bir İkinci Derece Butterworth alçak geçiren filtre kullanılır. Direnç ve kapasitör değerlerini çözmek için aşağıdaki denklemler kullanıldı. Bu denklemler için Hz cinsinden kesme frekansı rad/sn olarak değiştirilerek 1570.8 olarak bulunmuştur. K = 1 kazanç kullanıldı. a ve b değerleri sırasıyla 1.414214 ve 1 olarak verildi.

R1 = 2 / (wc (a C2 + sqrt(a^2 + 4 b (K - 1)) C2^2 - 4 b C1 C2))

R2 = 1/ (b C1 C2 R1 wc^2)

R3 = K (R1 + R2) / (K - 1)

R4 = K (R1 + R2)

C1 = (C2 (a^2 + 4 b (K-1)) / (4 b)

C2 = (10 / fc)

Değerler hesaplandıktan sonra devre, yukarıdaki resimlerden birinde görülen değerlerle oluşturulmuştur. 1'lik bir kazanç kullanıldığından, R3'ün bir açık devre ile değiştirildiği ve R4'ün bir kısa devre ile değiştirildiği belirtilmelidir. Devre bir kez monte edildikten sonra, op amp, bir DC Güç Kaynağından 15V ile güçlendirildi. Diğer bileşenlere benzer şekilde, giriş ve çıkış sırasıyla bir Fonksiyon Üreticisine ve bir Osiloskopa bağlandı. Yukarıdaki "Düşük Geçişli Filtre AC Süpürme" bölümünde görülen AC taramasının bir grafiği oluşturuldu. Devrenin LabView simülasyonundaki siyah çizim, sonuçlarımızı doğrular.

Adım 4: LabVIEW

Resimde gösterilen LabVIEW programı, dakikadaki atım sayısını hesaplamak ve giriş EKG'sinin görsel bir temsilini görüntülemek için kullanılır. DAQ Assistant, giriş sinyalini alır ve örnekleme parametrelerini ayarlar. Dalga formu grafiği daha sonra kullanıcıya göstermek için DAQ'nun kullanıcı arayüzünde aldığı girişi çizer. Girilen veriler üzerinde çoklu analizler yapılır. Giriş verilerinin maksimum değerleri Maks/Min Tanımlayıcı kullanılarak bulunur ve tepe noktaları algılama parametreleri Tepe Algılama kullanılarak ayarlanır. Zirve konumlarının bir dizin dizisi, Zaman Değişimi bileşeni tarafından verilen maksimum değerler arasındaki süre ve çeşitli aritmetik işlemler kullanılarak BPM hesaplanır ve sayısal çıktı olarak görüntülenir.

Adım 5: Tamamlanmış Devre

Tüm bileşenler bağlandıktan sonra, tüm sistem simüle edilmiş bir EKG sinyali ile test edildi. Daha sonra devre, yukarıda bahsedilen LabView programı aracılığıyla görüntülenen sonuçlarla bir insan EKG'sini filtrelemek ve amplifiye etmek için kullanıldı. Elektrotlar sağ el bileğine, sol el bileğine ve sol ayak bileğine takıldı. Sol bilek ve sağ bilek enstrümantasyon amplifikatörünün girişlerine, sol ayak bileği ise toprağa bağlandı. Alçak geçiren filtrenin çıkışı daha sonra DAQ Assistant'a bağlandı. Program, öncekinden aynı LabView blok şeması kullanılarak çalıştırıldı. İnsan EKG'si geçerken, yukarıdaki resimde görülebilen tam sistemin çıkışından net ve kararlı bir sinyal görüldü.