EKG ve Nabız Monitörü: 7 Adım (Resimlerle)

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.

Bu durumları tespit etmek için kullanılan en önemli tanı araçlarından biri elektrokardiyogramdır (EKG). Bir elektrokardiyogram, kalbinizden geçen elektriksel darbeyi izleyerek ve onu makineye geri ileterek çalışır [1]. Sinyal, vücuda yerleştirilen elektrotlardan alınır. Elektrotların yerleştirilmesi, vücuttaki potansiyel farkını kaydederek çalıştıkları için fizyolojik sinyalleri almak için çok önemlidir. Elektrotların standart yerleşimi Einthoven Üçgenini kullanmaktır. Burası sağ kol, sol kol ve sol bacağa bir elektrotun yerleştirildiği yerdir. Sol bacak elektrotlar için bir zemin görevi görür ve vücuttaki frekans gürültüsünü alır. Sağ kolda negatif elektrot, sol kolda ise göğüsteki potansiyel farkı hesaplamak ve böylece kalpten elektrik enerjisini almak için pozitif bir elektrot vardır [2]. Bu projenin amacı, başarılı bir şekilde algılayabilen bir cihaz yaratmaktı. bir EKG sinyali ve bir kalp atış hızı ölçümü eklenmesiyle sinyali gürültüsüz ve net bir şekilde yeniden üretin.

Adım 1: Malzemeler ve Araçlar

• Çeşitli dirençler ve kapasitörler
• ekmek tahtası
• Fonksiyon üreticisi
• Osiloskop
• DC güç kaynağı
• Op-amp'ler
• LABView yüklü bilgisayar
• BNC kabloları
• DAQ yardımcısı

2. Adım: Enstrümantasyon Amplifikatörü Oluşturun

Biyoelektrik sinyali yeterince yükseltmek için, iki aşamalı enstrümantasyon yükselticisinin toplam kazancı 1000 olmalıdır. Genel kazancı elde etmek için her aşama çarpılır ve bireysel aşamaları hesaplamak için kullanılan denklemler aşağıda gösterilmiştir.

Aşama 1 Kazanç: K1=1+2*R2/R1 Aşama 2 Kazanç: K2= -R4/R3

Yukarıdaki denklemleri kullanarak, kullandığımız direnç değerleri R1 = 10kΩ, R2 = 150kΩ, R3 = 10kΩ ve R4 = 33kΩ idi. Bu değerlerin istenilen çıkışı sağlayacağından emin olmak için online olarak simüle edebilir veya fiziksel amplifikatörü kurduktan sonra osiloskop kullanarak test edebilirsiniz.

Seçilen dirençleri ve op-amp'leri devre tahtasına bağladıktan sonra, op-amp'leri bir DC güç kaynağından ±15V beslemeniz gerekecektir. Ardından, fonksiyon üretecini enstrümantasyon amplifikatörünün girişine ve osiloskopu çıkışa bağlayın.

Yukarıdaki fotoğraf, tamamlanmış enstrümantasyon amplifikatörünün devre tahtasındaki gibi görüneceğini göstermektedir. Düzgün çalışıp çalışmadığını kontrol etmek için fonksiyon üretecini 1 kHz'de tepeden tepeye 20 mV genliğe sahip bir sinüs dalgası üretecek şekilde ayarlayın. Osiloskoptaki yükselticiden gelen çıkış, düzgün çalışıyorsa 1000'lik bir kazanç olduğundan, tepeden tepeye 20 V'luk bir genliğe sahip olmalıdır.

3. Adım: Çentik Filtresi Oluşturun

Güç hattı gürültüsü nedeniyle, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki güç hattı gürültüsü olan 60Hz'deki gürültüyü filtrelemek için bir filtreye ihtiyaç duyuldu. Belirli bir frekansı filtrelediği için çentik filtresi kullanılmıştır. Direnç değerlerini hesaplamak için aşağıdaki denklemler kullanıldı. 8'lik niteliksel bir faktör (Q) iyi çalıştı ve inşaat kolaylığı için 0.1 uF'lik kapasitör değerleri seçildi. Denklemlerdeki frekans (w ile gösterilir), 60Hz çentik frekansının 2π ile çarpımıdır.

R1=1/(2QwC)

R2=2Q/(wC)

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

Yukarıdaki denklemleri kullanarak, kullandığımız direnç değerleri R1=1,5kΩ, R2=470kΩ ve R3=1,5kΩ idi. Bu değerlerin istenilen çıkışı sağlayacağından emin olmak için online olarak simüle edebilir veya fiziksel amplifikatörü kurduktan sonra osiloskop kullanarak test edebilirsiniz.

Yukarıdaki resim, tamamlanmış çentik filtresinin devre tahtasında nasıl görüneceğini gösterir. Op-amp'ler için kurulum, enstrümantasyon amplifikatörü ile aynıdır ve fonksiyon üreteci şimdi 1 kHz'de 1V'luk bir tepeden tepeye genliğe sahip bir sinüs dalgası üretecek şekilde ayarlanmalıdır. Bir AC Süpürme gerçekleştirirseniz, 60Hz civarındaki frekansların filtrelendiğini doğrulayabilmelisiniz.

4. Adım: Düşük Geçişli Bir Filtre Oluşturun

EKG ile ilgili olmayan yüksek frekanslı gürültüyü filtrelemek için, kesim frekansı 150 Hz olan bir alçak geçiren filtre oluşturulmuştur.

R1=2/(w[aC2+sqrt(a2+4b(K-1))C2^2-4b*C1*C2)

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

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

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

R4=K(R1+R2)

Yukarıdaki denklemleri kullanarak, kullandığımız direnç değerleri R1 = 12kΩ, R2 = 135kΩ, C1 = 0.01 µF ve C2 = 0.068 µF idi. Filtrenin kazancının (K) sıfır olmasını istediğimiz için R3 ve R4 değerleri sıfır oldu, bu nedenle burada fiziksel kurulumda dirençler yerine teller kullandık. Bu değerlerin istenilen çıkışı sağlayacağından emin olmak için online olarak simüle edebilir veya fiziksel amplifikatörü kurduktan sonra osiloskop kullanarak test edebilirsiniz.

Fiziksel filtreyi oluşturmak için, seçilen dirençleri ve kapasitörleri şematikte gösterildiği gibi op-amp'e bağlayın. Op-amp'e güç verin ve fonksiyon üretecini ve osiloskopu önceki adımlarda açıklandığı şekilde bağlayın. Fonksiyon üretecini 150Hz'de ve tepeden tepeye genliği yaklaşık 1 V olan bir sinüs dalgası üretecek şekilde ayarlayın. 150Hz kesim frekansı olması gerektiğinden, filtre düzgün çalışıyorsa, büyüklük bu frekansta 3dB olmalıdır. Bu, filtrenin doğru şekilde kurulup kurulmadığını size söyleyecektir.

Adım 5: Tüm Bileşenleri Bir Araya Bağlayın

Her bir bileşeni oluşturup ayrı ayrı test ettikten sonra hepsi seri olarak bağlanabilir. Fonksiyon üretecini enstrümantasyon amplifikatörünün girişine bağlayın, ardından bunun çıkışını çentik filtresinin girişine bağlayın. Çentik filtresinin çıkışını alçak geçiren filtrenin girişine bağlayarak bunu tekrar yapın. Alçak geçiren filtrenin çıkışı daha sonra osiloskopa bağlanmalıdır.

Adım 6: LabVIEW Kurulumu

EKG kalp atışı dalga formu daha sonra bir DAQ asistanı ve LabView kullanılarak yakalandı. Bir DAQ asistanı analog sinyalleri alır ve örnekleme parametrelerini tanımlar. DAQ asistanını bir arb kardiyak sinyali veren fonksiyon üretecine ve LabView ile bilgisayara bağlayın. Yukarıda gösterilen şemaya göre LabView'ı kurun. DAQ asistanı, fonksiyon üretecinden kalp dalgasını getirecektir. Grafiği görüntülemek için dalga biçimi grafiğini LabView kurulumunuza da ekleyin. Maksimum değer için bir eşik ayarlamak için sayısal operatörleri kullanın. Gösterilen şematikte %80 kullanılmıştır. Pik analizi, pik konumlarını bulmak ve bunları zaman içindeki değişimle ilişkilendirmek için de kullanılmalıdır. Dakikadaki vuruşları hesaplamak için tepe frekansı 60 ile çarpın ve bu sayı grafiğin yanında çıktı.

Adım 7: Artık Bir EKG Kaydedebilirsiniz

[1] "Elektrokardiyogram - Texas Heart Institute Kalp Bilgi Merkezi." [İnternet üzerinden]. Mevcut: https://www.texasheart.org/HIC/Topics/Diag/diekg.cfm. [Erişim tarihi: 09-Aralık-2017].

[2] "EKG Lead'leri, Polarite ve Einthoven Üçgeni – Öğrenci Fizyologu." [İnternet üzerinden]. Mevcut: https://thephysicologist.org/study-materials/the-ecg-leads-polarity-and-einthovens-triangle/. [Erişim tarihi: 10-Aralık-2017].