Biyoelektrik Sinyallerinin Kaydedilmesi: EKG ve Nabız Monitörü: 7 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 uygun izolasyon tekniklerini kullandığından emin olun.

Elektrokardiyogram (EKG), deneğin kalbinin elektriksel aktivitesini tespit etmek ve ölçmek için yüzey elektrotlarının belirli bir şekilde bir süjeye yerleştirildiği bir testtir [1]. Bir EKG'nin birçok kullanımı vardır ve kalp rahatsızlıklarının teşhisine, stres testlerine ve ameliyat sırasında gözleme yardımcı olma işlevi görebilir. Bir EKG ayrıca kalp atışlarındaki değişiklikleri, aritmileri, kalp krizini ve yukarıdaki problem ifadesinde de açıklanan diğer birçok deneyim ve hastalığı [1] tespit edebilir. Bir EKG tarafından ölçülen kardiyak sinyal, işleyen kalbin canlı beslemesini gösteren üç farklı dalga formu üretir. Bunlar yukarıdaki resimde gösterilmektedir.

Bu projenin amacı, bir çıkış üretecinden veya insandan EKG sinyali alabilen ve gürültüyü ortadan kaldırırken sinyali yeniden üretebilen bir cihaz oluşturmaktır. Sistemin çıktısı ayrıca BPM'yi de hesaplayacaktır.

Başlayalım!

Adım 1: Tüm Malzemeleri Toplayın

Bu EKG'yi oluşturmak için devre ve LabVIEW sistemi olmak üzere iki ana bölümden oluşan bir sistem oluşturacağız. Devrenin amacı, istediğimiz sinyali aldığımızdan emin olmaktır. EKG sinyalimizi bastırabilecek çok fazla ortam gürültüsü var, bu nedenle sinyalimizi yükseltmemiz ve herhangi bir gürültüyü filtrelememiz gerekiyor. Sinyal devre boyunca filtrelendikten ve yükseltildikten sonra, rafine sinyali, dalga biçimini gösterecek ve BPM'yi hesaplayacak bir LabVIEW programına gönderebiliriz. Bu proje için aşağıdaki malzemeler gereklidir:

-Direnç, kapasitör ve işlemsel yükselteç (op-amp'ler - UA741 kullanıldı) elektrik bileşenleri

-İnşaat ve test için lehimsiz devre tahtası

- Op-amp'lere güç sağlamak için DC güç kaynağı

-Biyoelektrik sinyal sağlamak için fonksiyon üreteci

-Giriş sinyalini görüntülemek için osiloskop

-Analogdan dijitale sinyal dönüştürmek için DAQ kartı

-Çıkış sinyalinin gözlemlenmesi için LabVIEW yazılımı

-BNC ve değişken uçlu kablolar

Adım 2: Devrenin Tasarlanması

Az önce tartıştığımız gibi, sinyalimizi hem filtrelemek hem de yükseltmek gerekiyor. Bunun için devremizin 3 farklı kademesini kurabiliriz. İlk olarak, sinyalimizi yükseltmemiz gerekiyor. Bu, bir enstrümantasyon amplifikatörü kullanılarak yapılabilir. Bu sayede giriş sinyalimiz son üründe çok daha iyi görülebilir. Daha sonra bu enstrümantasyon amplifikatörü ile seri olarak bir çentik filtresine ihtiyacımız var. Güç kaynağımızdan gelen gürültüyü ortadan kaldırmak için çentik filtresi kullanılacaktır. Bundan sonra, düşük geçiş filtresine sahip olabiliriz. EKG okumaları genellikle düşük frekanslı olduğundan, EKG okuma sınırlarımızın dışındaki bir frekansta olan tüm frekansları kesmek istiyoruz, bu nedenle bir alçak geçiren filtre kullanıyoruz. Bu aşamalar aşağıdaki adımlarda daha ayrıntılı olarak açıklanmaktadır.

Devrenizle ilgili sorun yaşıyorsanız, devrenizi çevrimiçi bir programda simüle etmek en iyisidir. Bu şekilde direnç ve kondansatör değerleri için yaptığınız hesaplamaların doğru olup olmadığını kontrol edebilirsiniz.

Adım 3: Enstrümantasyon Amplifikatörünün Tasarlanması

Biyoelektrik sinyali daha verimli bir şekilde gözlemlemek için sinyalin yükseltilmesi gerekir. Bu proje için, toplam elde etmek 1000 V/V'dir. Enstrümantasyon yükselticisinden belirtilen kazanıma ulaşmak için devre için direnç değerleri aşağıdaki denklemler ile hesaplanmıştır:

(Aşama 1) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(Aşama 2) K2 = -R4 / R3

Genel kazancı hesaplamak için aşamaların her birinin çarpıldığı yer. 1000 V/V kazanç elde etmek için seçilen direnç değerleri R1 = 10 kOhm, R2 = 150 kOhm, R3 = 10 kOhm ve R4 = 330 kOhm'dur. Fiziksel devrenin op-amp'lerine güç sağlamak için +/- 15 V'luk bir voltaj aralığı (akım sınırını düşük tutarak) vermek için DC güç kaynağını kullanın. Dirençlerin gerçek değerlerini kontrol etmek veya inşa etmeden önce bu kazancı elde etmek istiyorsanız, PSpice veya CircuitLab gibi bir programı çevrimiçi kullanarak devreyi simüle edebilir veya belirli bir giriş sinyali voltajına sahip bir osiloskop kullanabilir ve doğru olup olmadığını kontrol edebilirsiniz. fiziksel bir amplifikatör inşa ettikten sonra kazanç. Devreyi çalıştırmak için fonksiyon üretecini ve osiloskopu amplifikatöre bağlayın.

Yukarıdaki fotoğraf, simülasyon yazılımı PSpice'de devrenin nasıl göründüğünü göstermektedir. Devrenizin düzgün çalışıp çalışmadığını kontrol etmek için fonksiyon üretecinden devre üzerinden ve osiloskopa 1 kHz 10 mV tepeden tepeye sinüs dalgası sağlayın. Osiloskopta 10 V tepeden tepeye sinüs dalgası gözlemlenmelidir.

Adım 4: Çentik Filtresinin Tasarlanması

Bu devre ile uğraşırken özel bir problem, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki güç kaynağı hatları tarafından 60 Hz'lik bir gürültü sinyalinin üretilmesidir. Bu gürültüyü ortadan kaldırmak için, devreye giriş sinyalinin 60 Hz'de filtrelenmesi gerekir ve bunu yapmanın bir çentik filtresinden daha iyi bir yolu var mı!

Çentik filtresi (yukarıda gösterilen devre), bir sinyalden belirli bir frekansı çıkarmak için kullanılabilen belirli bir elektrik filtresi türüdür. 60 Hz sinyali kaldırmak için aşağıdaki denklemleri hesapladık:

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

R2 = (2 * Q) / (w * C)

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

S = s / B

B = w2 - w1

Yeterince doğru bir filtre tasarlamak için 8 kalite faktörü (Q), daha kolay montaj için 0,033 uFarad kapasitans (C) ve 2 * pi * 60 Hz merkez frekansı (w) kullanmak. Bu, R1 = 5.024 kOhms, R2 = 1.2861 MOhms ve R3 = 5.004 kOhms dirençleri için değerleri başarıyla hesapladı ve giriş biyoelektrik sinyalinden 60 Hz frekansını çıkarmak için başarıyla bir filtre oluşturdu. Filtreyi kontrol etmek istiyorsanız, PSpice veya CircuitLab gibi bir çevrimiçi programı kullanarak devreyi simüle edebilir veya belirli bir giriş sinyali voltajına sahip bir osiloskop kullanabilir ve fiziksel bir amplifikatör oluşturduktan sonra kaldırılan sinyali kontrol edebilirsiniz. Devreyi çalıştırmak için fonksiyon üretecini ve osiloskopu amplifikatöre bağlayın.

1 V tepeden tepeye sinyalde 1 Hz ila 1 kHz frekans aralığında bu devre ile bir AC taraması gerçekleştirmek, çıkış grafiğinde girişten kaldırılan 60 Hz'de "çentik" tipi bir özellik vermelidir. sinyal.

Adım 5: Alçak Geçiren Filtrenin Tasarlanması

Devrenin son aşaması alçak geçiren filtredir, özellikle İkinci Derece Butterworth Alçak geçiren filtredir. Bu, EKG sinyalimizi izole etmek için kullanılır. EKG dalga biçimleri genellikle 0 ila ~100 Hz frekans sınırları içindedir. Bu nedenle, direnç ve kapasitör değerlerimizi 100 Hz'lik kesme frekansına ve bize nispeten doğru bir filtre verecek olan 8'lik bir kalite faktörüne göre hesaplıyoruz.

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

Hesapladığımız değerler sonunda R1 = 81.723kOhm, R2 = 120.92kOHms, C1 = 0.1 mikroFarad ve C2 = 0.045 mikroFarad oldu. Op-amp'leri + ve - 15V DC voltajıyla çalıştırın. Filtreyi kontrol etmek istiyorsanız, PSpice veya CircuitLab gibi bir çevrimiçi programı kullanarak devreyi simüle edebilir veya belirli bir giriş sinyali voltajına sahip bir osiloskop kullanabilir ve fiziksel bir amplifikatör oluşturduktan sonra kaldırılan sinyali kontrol edebilirsiniz. Devreyi çalıştırmak için fonksiyon üretecini ve osiloskopu amplifikatöre bağlayın. Kesme frekansında -3 dB'lik bir büyüklük görmelisiniz. Bu, devrenizin doğru çalıştığını gösterir.

Adım 6: LabVIEW Kurulumu

Devre oluşturulduğuna göre artık sinyalimizi yorumlayabilmek istiyoruz. Bunu yapmak için LabVIEW kullanabiliriz. Devreden sinyal almak için bir DAQ asistanı kullanılabilir. LabVIEW'i açtıktan sonra devreyi yukarıdaki şemada gösterildiği gibi kurunuz. DAQ asistanı bu giriş okumasını devreden alacak ve sinyal dalga şekli grafiğine gidecektir. Bu, EKG dalga biçimini görmenizi sağlayacaktır!

Sonra BPM'yi hesaplamak istiyoruz. Yukarıdaki kurulum bunu sizin için yapacak. Program önce gelen EKG sinyalinin maksimum değerlerini alarak çalışır. Eşik değeri, maksimum değerimizin bir yüzdesine (bu durumda, %90) ulaşan tüm yeni değerleri tespit etmemizi sağlar. Bu değerlerin konumları daha sonra indeksleme dizisine gönderilir. İndeksleme 0'dan başladığı için 0. ve 1. noktaları alıp aralarındaki zaman değişimini hesaplamak istiyoruz. Bu bize vuruşlar arasındaki süreyi verir. Daha sonra BPM'yi bulmak için bu verileri tahmin ederiz. Spesifik olarak, bu, dt öğesinden gelen çıktı ile indeksleme dizilerindeki iki değer arasındaki çıkarmanın çıktısını çarparak ve ardından 60'a bölerek yapılır (çünkü dakikalara dönüştürüyoruz).

Adım 7: Hepsini Bağlayın ve Test Edin

Devreyi DAQ kartının girişine bağlayın. Şimdi girdiğiniz sinyal devreden DAQ kartına gidecek ve LabVIEW programı dalga biçimini ve hesaplanan BPM'yi çıkaracaktır.

Tebrikler!