Dijital EKG ve Nabız Monitörü: 8 Adım

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

DİKKAT: 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 pil gücü ve diğer uygun izolasyon tekniklerini kullandığından emin olun

Bir elektrokardiyogram (EKG), kalp döngüsü sırasında elektrik sinyallerini kaydeder. Kalp her attığında, miyokardiyal hücrelerin bir depolarizasyon ve hiper polarizasyon döngüsü vardır. Depolarizasyon ve hiper polarizasyon, elektrotlarla kaydedilebilir ve doktorlar, kalbin nasıl çalıştığı hakkında daha fazla bilgi edinmek için bu bilgileri okur. Bir EKG, miyokard enfarktüsü, atriyal veya ventriküler fibrilasyon, taşikardi ve bradikardiyi belirleyebilir [1]. EKG'den sorunun ne olduğunu belirledikten sonra doktorlar hastaya başarılı bir şekilde teşhis ve tedavi verebilir. Kendi elektrokardiyogram kayıt cihazınızı nasıl yapacağınızı öğrenmek için aşağıdaki adımları izleyin!

Adım 1: Malzemeler

Devre bileşenleri:

• Beş UA741 işlemsel yükselteç
• dirençler
• kapasitörler
• Atlama telleri
• DAQ kurulu
• LabVIEW yazılımı

Test ekipmanları:

• Fonksiyon üreticisi
• DC güç kaynağı
• Osiloskop
• BNC kabloları ve T ayırıcı
• Atlama kabloları
• Timsah klipsleri
• Muz fişleri

Adım 2: Enstrümantasyon Amplifikatörü

Devrenin ilk aşaması bir enstrümantasyon amplifikatörüdür. Bu, biyolojik sinyali güçlendirir, böylece EKG'nin farklı bileşenleri ayırt edilebilir.

Enstrümantasyon amplifikatörünün devre şeması yukarıda gösterilmiştir. Bu devrenin birinci kademe kazancı K1 = 1 + 2*R2 / R1 olarak tanımlanır. Devrenin ikinci kademe kazancı K2 = R4 / R3 olarak tanımlanmıştır. Enstrümantasyon amplifikatörünün genel kazancı K1 * K2'dir. Bu proje için istenilen kazanç yaklaşık 1000 idi, bu nedenle K1 31 ve K2 33 olarak seçildi. Bu kazançlar için direnç değerleri devre şemasında yukarıda gösterilmiştir. Yukarıda gösterilen direnç değerlerini kullanabilir veya istediğiniz kazancı sağlamak için değerleri değiştirebilirsiniz.**

Bileşen değerlerinizi seçtikten sonra devre devre tahtası üzerinde oluşturulabilir. Breadboard üzerindeki devre bağlantılarını kolaylaştırmak için üstteki negatif yatay ray toprak, alttaki iki yatay ray sırasıyla +/- 15V olarak ayarlandı.

İlk op amp, kalan tüm bileşenlere yer bırakmak için devre tahtasının sol tarafına yerleştirildi. Ekler, pimlerin kronolojik sırasına göre eklenmiştir. Bu, hangi parçaların eklenip eklenmediğini takip etmeyi kolaylaştırır. Op amp 1 için tüm pinler tamamlandığında, bir sonraki op amp yerleştirilebilir. Yine, boşluk bırakmak için nispeten yakın olduğundan emin olun. Enstrümantasyon amplifikatörü tamamlanana kadar tüm op amp'ler için aynı kronolojik pin işlemi tamamlandı.

Daha sonra kablolardaki AC kuplajından kurtulmak için devre şemasına ek olarak baypas kapasitörleri eklendi. Bu kapasitörler DC gerilim beslemesine paralel olarak yerleştirilmiş ve üst yatay negatif raya topraklanmıştır. Bu kapasitörler 0,1 ila 1 mikroFarad aralığında olmalıdır. Her op amp, biri pin 4 için diğeri pin 7 için olmak üzere iki baypas kapasitörüne sahiptir. Her op amp üzerindeki iki kapasitör aynı değere sahip olmalıdır, ancak op amp'ten op amp'e değişebilir.

Amplifikasyonu test etmek için, amplifikatörün girişine ve çıkışına sırasıyla bir fonksiyon üreteci ve osiloskop bağlanmıştır. Giriş sinyali de osiloskopa bağlandı. Amplifikasyonu belirlemek için basit bir sinüs dalgası kullanıldı. Fonksiyon üreteci çıkışını enstrümantasyon amplifikatörünün iki giriş terminaline girin. Çıkış sinyalinin giriş sinyaline oranını ölçmek için osiloskopu ayarlayın. Bir devrenin desibel cinsinden kazancı Kazanç = 20 * log10(Vout / Vin). 1000'lik bir kazanç için, desibel cinsinden kazanç 60dB'dir. Osiloskopu kullanarak, inşa ettiğiniz devrenin kazancının spesifikasyonlarınızı karşılayıp karşılamadığını veya devrenizi iyileştirmek için bazı direnç değerlerini değiştirmeniz gerekip gerekmediğini belirleyebilirsiniz.

Enstrümantasyon amplifikatörü doğru şekilde monte edilip çalıştığında, çentik filtresine geçebilirsiniz.

**Yukarıdaki devre şemasında R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 =R42

Adım 3: Çentik Filtresi

Çentik filtresinin amacı, 60 Hz duvar güç kaynağından gelen gürültüyü ortadan kaldırmaktır. Çentik filtresi, sinyali kesme frekansında zayıflatır ve üstündeki ve altındaki frekansları geçirir. Bu devre için istenen kesme frekansı 60 Hz'dir.

Yukarıda gösterilen devre şeması için ana denklemler R1 = 1 /(2 * Q * w *C), R2 = 2 * Q / (w * C) ve R3 = R1 * R2 / (R1 + R2)'dir, burada Q kalite faktörüdür ve w 2 * pi *'dir (kesme frekansı). 8 kalite faktörü, makul bir aralıkta direnç ve kapasitör değerleri verir. Kondansatör değerlerinin hepsinin aynı olduğu varsayılabilir. Böylece kitlerinizde bulunan bir kapasitör değeri seçebilirsiniz. Yukarıdaki devrede gösterilen direnç değerleri 60 Hz kesme frekansı, 8 kalite faktörü ve 0,22 uF kapasitör değeri içindir.

Kondansatörler paralel eklendiğinden, 2C değerine ulaşmak için seçilen C değerindeki iki kapasitör paralel olarak yerleştirildi. Ayrıca, op amp'e baypas kapasitörleri eklendi.

Çentik filtresini test etmek için fonksiyon üretecinden gelen çıkışı çentik filtresinin girişine bağlayın. Bir osiloskopta devrenin giriş ve çıkışını gözlemleyin. Etkili bir notch filtresine sahip olmak için, kesme frekansında -20dB'ye eşit veya daha az bir kazancınız olmalıdır. Bileşenler ideal olmadığından, bunu başarmak zor olabilir. Hesaplanan direnç ve kondansatör değerleri size istenilen kazancı vermeyebilir. Bu, direnç ve kapasitör değerlerinde değişiklik yapmanızı gerektirecektir.

Bunu yapmak için, her seferinde bir bileşene odaklanın. Diğerlerini değiştirmeden tek bir bileşenin değerini artırın ve azaltın. Bunun devre kazancı üzerindeki etkilerini gözlemleyin. Bu, istenen kazancı elde etmek için çok sabır gerektirebilir. Direnç değerlerini artırmak veya azaltmak için seri olarak dirençler ekleyebileceğinizi unutmayın. Kazancımızı en çok artıran değişiklik, kapasitörlerden birini 0.33 uF'ye çıkarmaktı.

Adım 4: Düşük Geçiş Filtresi

Düşük geçiş filtresi, EKG sinyaline müdahale edebilecek yüksek frekanslı gürültüyü ortadan kaldırır. EKG dalga biçimi bilgilerini yakalamak için 40 Hz'lik bir düşük geçiş kesmesi yeterlidir. Bununla birlikte, EKG'nin bazı bileşenleri 40 Hz'yi aşmaktadır. 100 Hz veya 150 Hz kesme de kullanılabilir [2].

Alçak geçiren filtre, İkinci Dereceden Butterworth filtresidir. Devremizin kazancı enstrümantasyon amplifikatörü tarafından belirlendiğinden, alçak geçiren filtre için bant içinde 1 kazanç istiyoruz. 1 kazanç için yukarıdaki devre şemasında RA kısa devre ve RB açık devredir [3]. Devrede C1 = 10 / (fc) uF, burada fc kesim frekansıdır. C1, C2 * a^2 / (4 * b) değerinden küçük veya buna eşit olmalıdır. İkinci mertebeden Butterworth filtresi için, a = sqrt(2) ve b = 1. a ve b için değerler girildiğinde, C2 denklemi C1 / 2'den küçük veya ona eşit olacak şekilde sadeleşir. O zaman R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt(a^2 *C2 ^2 - 4 *b * C1 * C2))] ve R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), burada w = 2 *pi * fc. Bu devre için hesaplamalar 40Hz'lik bir kesim sağlamak için yapılmıştır. Bu özellikleri sağlayan direnç ve kapasitör değerleri yukarıdaki devre şemasında gösterilmiştir.

Op amp, ondan sonra başka hiçbir bileşen eklenemeyeceğinden, devre tahtasının en sağ tarafına yerleştirildi. Devreyi tamamlamak için op amp'e dirençler ve kapasitörler eklendi. Op amp'e baypas kapasitörleri de eklendi. Giriş, çentik filtre çıkış sinyalinden geleceği için giriş terminali boş bırakılmıştır. Ancak test amaçlı olarak alçak geçiren filtreyi izole edebilmek ve tek tek test edebilmek için giriş pinine bir tel yerleştirilmiştir.

Giriş sinyali olarak fonksiyon üretecinden gelen bir sinüs dalgası kullanılmış ve farklı frekanslarda gözlemlenmiştir. Bir osiloskopta hem giriş hem de çıkış sinyallerini gözlemleyin ve farklı frekanslarda devrenin kazancını belirleyin. Alçak geçiren bir filtre için kesme frekansındaki kazanç -3db olmalıdır. Bu devre için kesme 40 Hz'de gerçekleşmelidir. 40 Hz'nin altındaki frekansların dalga biçiminde çok az zayıflama olması veya hiç zayıflama olması gerekir, ancak frekans 40 Hz'in üzerine çıktıkça kazanç azalmaya devam etmelidir.

Adım 5: Devre Aşamalarının Birleştirilmesi

Devrenin her aşamasını oluşturup bağımsız olarak test ettikten sonra hepsini birbirine bağlayabilirsiniz. Enstrümantasyon amplifikatörünün çıkışı, çentik filtresinin girişine bağlanmalıdır. Çentik filtrenin çıkışı, alçak geçiren filtrenin girişine bağlanmalıdır.

Devreyi test etmek için, fonksiyon üreteci girişini enstrümantasyon amplifikatör aşamasının girişine bağlayın. Bir osiloskopta devrenin giriş ve çıkışını gözlemleyin. Fonksiyon üretecinden önceden programlanmış bir EKG dalgası veya sinüs dalgası ile test edebilir ve devrenizin etkilerini gözlemleyebilirsiniz. Yukarıdaki osiloskop görüntüsünde, sarı eğri giriş dalga biçimidir ve yeşil eğri çıkıştır.

Tüm devre aşamalarınızı bağlayıp düzgün çalıştığını gösterdikten sonra devrenizin çıkışını DAQ kartına bağlayabilir ve LabVIEW'de programlamaya başlayabilirsiniz.

Adım 6: LabVIEW Programı

LabVIEW kodu, farklı frekanslarda simüle edilmiş bir EKG dalgasından metre başına vuruşları tespit etmektir. LabVIEW'de programlamak için önce tüm bileşenleri tanımlamanız gerekir. Veri toplama (DAQ) kartı olarak da bilinen bir analogdan dijitale dönüştürücü kurulmalı ve sürekli çalışacak şekilde ayarlanmalıdır. Devreden gelen çıkış sinyali DAQ kartının girişine bağlanır. LabVIEW programındaki dalga formu grafiği, doğrudan DAQ asistanının çıkışına bağlanır. DAQ verisinin çıktısı da maks/min tanımlayıcısına gider. Sinyal daha sonra bir çarpma aritmetik operatöründen geçer. Eşik değerini hesaplamak için 0,8 sayısal göstergesi kullanılır. Sinyal 0.8*Maksimum değerini aştığında bir tepe algılanır. Bu değer bulunduğunda, dizin dizisinde saklandı. İki veri noktası indeks dizisinde depolanır ve çıkarma aritmetik operatörüne girilir. Zamandaki değişim bu iki değer arasında bulundu. Ardından, kalp atış hızını hesaplamak için 60, zaman farkına bölünür. Çıkış grafiğinin yanında gösterilen sayısal bir gösterge, kalp atış hızını giriş sinyalinin dakikadaki atım sayısı (bpm) olarak verir. Program kurulduktan sonra, tümü sürekli bir while döngüsünün içine yerleştirilmelidir. Farklı frekans girişleri, farklı bpm değerleri verir.

7. Adım: EKG Verilerini Toplayın

Artık devrenize simüle edilmiş bir EKG sinyali girebilir ve verileri LabVIEW programınıza kaydedebilirsiniz! Bunun kayıtlı verilerinizi nasıl etkilediğini görmek için simüle EKG'nin frekansını ve genliğini değiştirin. Frekansı değiştirdikçe, hesaplanan kalp atış hızında bir değişiklik görmelisiniz. Bir EKG ve kalp atış hızı monitörünü başarıyla tasarladınız!

8. Adım: Daha Fazla İyileştirme

Oluşturulan cihaz, simüle edilmiş EKG sinyallerini elde etmek için iyi çalışacaktır. Ancak biyolojik sinyalleri kaydetmek istiyorsanız (uygun güvenlik önlemlerini aldığınızdan emin olun), sinyal okumasını iyileştirmek için devrelerde daha fazla değişiklik yapılmalıdır. DC ofsetini ve düşük frekanslı hareket artefaktlarını gidermek için bir yüksek geçiş filtresi eklenmelidir. Enstrümantasyon amplifikatörünün kazancı da LabVIEW ve op amplifikatörler için kullanılabilir aralık içinde kalmak için on kat azaltılmalıdır.

Kaynaklar

[1] S. Meek ve F. Morris, “Giriş. II--temel terminoloji.,” BMJ, cilt. 324, hayır. 7335, s. 470–3, Şubat 2002.

[2] Chia-Hung Lin, EKG için frekans alanı özellikleri gri ilişkisel analiz tabanlı sınıflandırıcı kullanarak ayrımcılığı yendi, Bilgisayarlar ve Matematikte Uygulamalar, Cilt 55, Sayı 4, 2008, Sayfalar 680-690, ISSN 0898-1221, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii…

[3] “İkinci Dereceden Filtre | İkinci Derece Alçak Geçiren Filtre Tasarımı.” Temel Elektronik Eğitimleri, 9 Eylül 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…