ციფრული ეკგ და გულისცემის მონიტორი: 8 ნაბიჯი

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:20

შენიშვნა: ეს არ არის სამედიცინო მოწყობილობა. ეს არის საგანმანათლებლო მიზნებისთვის მხოლოდ იმიტირებული სიგნალების გამოყენებით. თუ თქვენ იყენებთ ამ წრეს ეკგ-ს გაზომვისთვის, დარწმუნდით, რომ წრე და ინსტრუმენტთან კავშირი იყენებს ბატარეას და იზოლაციის სხვა ტექნიკას

ელექტროკარდიოგრამა (ეკგ) აღწერს ელექტრო სიგნალებს გულის ციკლის დროს. ყოველ ჯერზე, როდესაც გული სცემს, ხდება მიოკარდიუმის უჯრედების დეპოლარიზაციის და ჰიპერ პოლარიზაციის ციკლი. დეპოლარიზაციის და ჰიპერპოლარიზაციის დაფიქსირება შესაძლებელია ელექტროდებით და ექიმებმა წაიკითხეს ეს ინფორმაცია, რათა გაიგონ მეტი როგორ მუშაობს გული. ეკგ -ს შეუძლია განსაზღვროს მიოკარდიუმის ინფარქტი, წინაგულების ან პარკუჭოვანი ფიბრილაცია, ტაქიკარდია და ბრადიკარდია [1]. მას შემდეგ, რაც დადგინდება რა პრობლემაა ეკგ -დან, ექიმებს შეუძლიათ წარმატებით დაადგინონ პაციენტი და მკურნალობა. მიჰყევით ქვემოთ მოცემულ ნაბიჯებს, რომ გაიგოთ როგორ გააკეთოთ თქვენი საკუთარი ელექტროკარდიოგრამა ჩაწერის მოწყობილობა!

ნაბიჯი 1: მასალები

მიკროსქემის კომპონენტები:

• ხუთი UA741 ოპერატიული გამაძლიერებელი
• რეზისტორები
• კონდენსატორები
• ჯუმბერის მავთულები
• DAQ დაფა
• LabVIEW პროგრამული უზრუნველყოფა

ტესტირების მოწყობილობა:

• ფუნქციის გენერატორი
• DC კვების წყარო
• ოსცილოსკოპი
• BNC კაბელები და T- გამყოფი
• ჯუმბერის კაბელები
• ალიგატორის კლიპები
• ბანანის სანთლები

ნაბიჯი 2: ინსტრუმენტების გამაძლიერებელი

მიკროსქემის პირველი ეტაპი არის ინსტრუმენტის გამაძლიერებელი. ეს აძლიერებს ბიოლოგიურ სიგნალს ისე, რომ ეკგ -ს სხვადასხვა კომპონენტი გამოირჩეოდეს.

ინსტრუმენტული გამაძლიერებლის სქემის დიაგრამა ნაჩვენებია ზემოთ. ამ წრის პირველი ეტაპის მოგება განისაზღვრება როგორც K1 = 1 + 2*R2 / R1. წრის მეორე ეტაპის მომატება განისაზღვრება როგორც K2 = R4 / R3. ინსტრუმენტული გამაძლიერებლის საერთო მომატება არის K1 * K2. ამ პროექტის სასურველი მოგება იყო დაახლოებით 1000, ასე რომ K1 შეირჩა 31 და K2 აირჩია 33. ამ მიღწევების რეზისტორული მნიშვნელობები ნაჩვენებია ზემოთ სქემის დიაგრამაში. თქვენ შეგიძლიათ გამოიყენოთ რეზისტორის მნიშვნელობები ზემოთ ნაჩვენები, ან შეგიძლიათ შეცვალოთ მნიშვნელობები თქვენი სასურველი მოგების დასაკმაყოფილებლად. **

მას შემდეგ რაც შეარჩიეთ თქვენი კომპონენტის ღირებულებები, მიკროსქემის აგება შესაძლებელია პურის დაფაზე. პურის დაფაზე წრიული კავშირების გასამარტივებლად, ნეგატიური ჰორიზონტალური სარკინიგზო ზედა ნაწილი დაყენებული იყო როგორც მიწა, ხოლო ქვედა ორი ჰორიზონტალური რელსები +/- 15V შესაბამისად.

პირველი გამაძლიერებელი მოათავსეს პურის დაფის მარცხენა მხარეს, რათა ადგილი დარჩენილიყო ყველა დანარჩენი კომპონენტისთვის. დანართები დაემატა ქინძისთავების ქრონოლოგიურ თანმიმდევრობას. ეს აადვილებს თვალყურის დევნას რა დარტყმებია დამატებული თუ არა. მას შემდეგ, რაც ყველა ქინძისთავები დასრულდება op amp 1 -ისთვის, მომდევნო op amp- ის განთავსება შესაძლებელია. კიდევ ერთხელ, დარწმუნდით, რომ ის შედარებით ახლოს არის, რათა დატოვოთ სივრცე. იგივე ქრონოლოგიური პინ პროცესი დასრულდა ყველა ოპ ამპერისთვის, სანამ არ დასრულდა ინსტრუმენტული გამაძლიერებელი.

შემდეგ შემოვლითი კონდენსატორები დაემატა გარდა სქემის დიაგრამისა, რათა მოშორებულიყო მავთულხლართებში AC დაწყვილება. ეს კონდენსატორები დაყენებულია DC ძაბვის მიწოდების პარალელურად და დასაბუთებულია ზედა ჰორიზონტალურ უარყოფით რელსზე. ეს კონდენსატორები უნდა იყოს 0.1 -დან 1 მიკროფარადის დიაპაზონში. თითოეულ გამაძლიერებელს აქვს ორი შემოვლითი კონდენსატორი, ერთი პინ 4 -ისთვის და ერთი პინ 7 -ისთვის. თითოეულ კონდენსატორს თითოეულ ოპ გამაძლიერებელს უნდა ჰქონდეს იგივე მნიშვნელობა, მაგრამ შეიძლება განსხვავდებოდეს ოპ ამპერიდან ოპ ამპრამდე.

ამპლიფიკაციის შესამოწმებლად, ფუნქციის გენერატორი და ოსცილოსკოპი იყო დაკავშირებული გამაძლიერებლის შესასვლელთან და გამოსავალთან შესაბამისად. შეყვანის სიგნალი ასევე უკავშირდებოდა ოსცილოსკოპს. მარტივი სინუსური ტალღა გამოიყენებოდა ამპლიფიკაციის დასადგენად. შეიყვანეთ ფუნქციის გენერატორის გამომავალი ინსტრუმენტების გამაძლიერებლის ორ შესასვლელ ტერმინალში. დააყენეთ ოსცილოსკოპი, რომ გაზომოთ გამომავალი სიგნალის შეყვანის სიგნალი. მიკროსქემის მომატება დეციბელებში არის მოგება = 20 * log10 (Vout / Vin). 1000 – ის მოგებისთვის, დეციბელებში მოგება არის 60 დბ. Oscilloscope– ის გამოყენებით, შეგიძლიათ განსაზღვროთ შეესაბამება თუ არა თქვენი აგებული მიკროსქემის მოგება თქვენს სპეციფიკაციებს, ან გჭირდებათ თუ არა რეზისტორის მნიშვნელობების შეცვლა თქვენი სქემის გასაუმჯობესებლად.

მას შემდეგ, რაც ინსტრუმენტის გამაძლიერებელი სწორად შეიკრიბა და ფუნქციონირებს, შეგიძლიათ გადახვიდეთ მაღალი დონის ფილტრზე.

** ზემოთ სქემის დიაგრამაში, R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

ნაბიჯი 3: მაღალი დონის ფილტრი

მაღალი დონის ფილტრის მიზანია ხმაურის ამოღება 60 ჰც -იანი კედლის კვების ბლოკიდან. მაღალი დონის ფილტრი ამცირებს სიგნალს შეწყვეტის სიხშირეზე და გადის სიხშირეებს მის ზემოთ და ქვემოთ. ამ მიკროსქემისთვის სასურველი გათიშვის სიხშირეა 60 ჰც.

ზემოთ ნაჩვენები წრიული დიაგრამის მმართველი განტოლებებია R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) და R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), სადაც Q არის ხარისხის ფაქტორი და w არის 2 * pi * (შეწყვეტის სიხშირე). ხარისხის 8 ფაქტორი იძლევა რეზისტორისა და კონდენსატორის მნიშვნელობებს გონივრულ დიაპაზონში. კონდენსატორის მნიშვნელობები შეიძლება ყველა ერთნაირი იყოს. ამრიგად, თქვენ შეგიძლიათ აირჩიოთ კონდენსატორის მნიშვნელობა, რომელიც ხელმისაწვდომია თქვენს ნაკრებში. წინა წრეში ნაჩვენები რეზისტენტული მნიშვნელობები არის 60 ჰც სიხშირე, ხარისხის ფაქტორი 8 და კონდენსატორის მნიშვნელობა 0.22 uF.

რადგან კონდენსატორები პარალელურად ემატება, არჩეული C მნიშვნელობის ორი კონდენსატორი პარალელურად მოთავსდა 2C მნიშვნელობის მისაღწევად. ასევე, შემოვლითი კონდენსატორები დაემატა op amp.

მაღალი დონის ფილტრის შესამოწმებლად, დააკავშირეთ ფუნქციის გენერატორიდან გამოსავალი მაღალი დონის ფილტრის შესასვლელთან. დააკვირდით წრედის შეყვანას და გამოსვლას ოსცილოსკოპზე. იმისათვის, რომ გქონდეთ ეფექტური დონის ფილტრი, თქვენ უნდა გქონდეთ მოგება ნაკლები ან ტოლი -20 dB შეწყვეტის სიხშირეზე. ვინაიდან კომპონენტები არ არის იდეალური, ამის მიღწევა ძნელია. რეზისტორისა და კონდენსატორის ღირებულებები შეიძლება არ მოგცემთ სასურველ მოგებას. ეს მოითხოვს თქვენ შეიტანოთ ცვლილებები რეზისტორისა და კონდენსატორის მნიშვნელობებში.

ამისათვის ერთდროულად გაამახვილეთ ყურადღება ერთ კომპონენტზე. ერთი კომპონენტის ღირებულების გაზრდა და შემცირება სხვა კომპონენტების შეცვლის გარეშე. დააკვირდით რა გავლენას ახდენს ეს მიკროსქემის მომატებაზე. ამას შეიძლება დიდი მოთმინება დასჭირდეს სასურველი მოგების მისაღწევად. გახსოვდეთ, თქვენ შეგიძლიათ დაამატოთ რეზისტორები სერიებში, რომ გაზარდოთ ან შეამციროთ რეზისტორის მნიშვნელობები. ცვლილება, რამაც ჩვენი მოგება ყველაზე მეტად გააუმჯობესა, იყო ერთი კონდენსატორის გაზრდა 0.33 uF– მდე.

ნაბიჯი 4: დაბალი გამავლობის ფილტრი

დაბალი გამტარი ფილტრი შლის უფრო მაღალი სიხშირის ხმაურს, რომელმაც შეიძლება ხელი შეუშალოს ეკგ სიგნალს. ეკგ -ს ტალღის ფორმის ინფორმაციის გადასაღებად საკმარისია 40 ჰც -ის დაბალი გამავლობის შეწყვეტა. თუმცა, ეკგ -ს ზოგიერთი კომპონენტი აღემატება 40 ჰერცს. ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას 100 Hz ან 150 Hz cutoff [2].

დაბალი გამავლობის ფილტრი აგებულია მეორე რიგის ბუტერვორტის ფილტრი. ვინაიდან ჩვენი წრის მოგება განისაზღვრება ინსტრუმენტული გამაძლიერებლის მიერ, ჩვენ გვსურს 1 -ის მომატება დაბალი გამავლობის ფილტრისთვის. 1 -ის მოგებისათვის, RA მოკლედ არის ჩართული და RB ღია წრედ არის ჩართული ზემოთ სქემის დიაგრამაში [3]. წრეში, C1 = 10 / (fc) uF, სადაც fc არის შეწყვეტის სიხშირე. C1 უნდა იყოს ნაკლები ან ტოლი C2 * a^2 / (4 * ბ). მეორე რიგის ბუტერვორტის ფილტრისთვის a = sqrt (2) და b = 1. a და b მნიშვნელობებში ჩართვა, C2– ის განტოლება ამარტივებს C1 / 2.– ზე ნაკლები ან ტოლი შემდეგ R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a^2 * C2^2 - 4 * b * C1 * C2))] და R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), სადაც w = 2 * pi * fc ამ მიკროსქემის გამოთვლები დასრულდა იმისათვის, რომ უზრუნველყოს შეწყვეტა 40 ჰც. რეზისტორისა და კონდენსატორის მნიშვნელობები, რომლებიც აკმაყოფილებს ამ მახასიათებლებს, ნაჩვენებია ზემოთ წრიული დიაგრამაში.

ოპ გამაძლიერებელი მოთავსებული იყო პურის დაფის მარჯვენა მხარეს, რადგან მის შემდეგ სხვა კომპონენტები არ დაემატება. რეზისტორები და კონდენსატორები დაემატა op amp- ს, რათა დაასრულოს წრე. შემოვლითი კონდენსატორები ასევე დაემატა op amp. შეყვანის ტერმინალი ცარიელი დარჩა, რადგან შეყვანა მოხდება მაღალი დონის ფილტრის გამომავალი სიგნალიდან. თუმცა, ტესტირების მიზნით, მავთული მოთავსდა შესასვლელ პინზე, რათა შეძლონ დაბალი გამავლობის ფილტრის იზოლირება და მისი ინდივიდუალურად გამოცდა.

ფუნქციის გენერატორის სინუსური ტალღა გამოიყენებოდა შეყვანის სიგნალად და შეინიშნებოდა სხვადასხვა სიხშირეზე. დააკვირდით როგორც შესასვლელ, ისე გამომავალ სიგნალებს ოსცილოსკოპზე და განსაზღვრეთ მიკროსქემის მომატება სხვადასხვა სიხშირეზე. დაბალი გავლის ფილტრისთვის, გათიშვის სიხშირეზე მოგება უნდა იყოს -3 დბ. ამ წრისთვის, გათიშვა უნდა მოხდეს 40 ჰერცზე. სიხშირეებს 40 ჰც -ზე ნაკლები უნდა ჰქონდეს შესუსტება ტალღის ფორმაში, მაგრამ როდესაც სიხშირე იზრდება 40 ჰც -ზე ზემოთ, მოგება უნდა გაგრძელდეს.

ნაბიჯი 5: წრიული ეტაპების შეკრება

მას შემდეგ, რაც თქვენ შექმნით წრედის თითოეულ საფეხურს და შეამოწმებთ მათ დამოუკიდებლად, შეგიძლიათ დააკავშიროთ ისინი ყველა. ინსტრუმენტული გამაძლიერებლის გამომავალი უნდა იყოს დაკავშირებული მაღალი დონის ფილტრის შესასვლელთან. მაღალი დონის ფილტრის გამომავალი უნდა იყოს დაკავშირებული დაბალი გავლის ფილტრის შესასვლელთან.

მიკროსქემის შესამოწმებლად, დააკავშირეთ ფუნქციის გენერატორის შეყვანა ინსტრუმენტული გამაძლიერებლის სტადიის შესასვლელთან. დააკვირდით წრედის შეყვანას და გამოსვლას ოსცილოსკოპზე. თქვენ შეგიძლიათ შეამოწმოთ წინასწარ დაპროგრამებული ეკგ ტალღით ფუნქციის გენერატორიდან, ან სინუსური ტალღით და დააკვირდეთ თქვენი წრის ეფექტებს. ზემოხსენებული ოსცილოსკოპის სურათზე ყვითელი მრუდი არის შეყვანის ტალღის ფორმა, ხოლო მწვანე მრუდი არის გამომავალი.

მას შემდეგ რაც დააკავშირებთ თქვენი წრედის ყველა საფეხურს და აჩვენებთ, რომ ის მუშაობს გამართულად, შეგიძლიათ თქვენი მიკროსქემის გამომავალი დაუკავშიროთ DAQ დაფას და დაიწყოთ პროგრამირება LabVIEW– ში.

ნაბიჯი 6: LabVIEW პროგრამა

LabVIEW კოდი არის გამოვლენა დარტყმები მეტრზე სიმულაციური ეკგ ტალღისგან სხვადასხვა სიხშირეზე. LabVIEW– ში პროგრამირებისთვის, თქვენ ჯერ უნდა დაადგინოთ ყველა კომპონენტი. ანალოგური ციფრული გადამყვანი, რომელიც ასევე ცნობილია როგორც მონაცემთა მოპოვების (DAQ) დაფა, უნდა იყოს დაყენებული და დაყენებული მუდმივად მუშაობისთვის. წრედან გამომავალი სიგნალი უკავშირდება DAQ დაფის შეყვანას. ტალღის ფორმის გრაფიკი LabVIEW პროგრამაში პირდაპირ არის დაკავშირებული DAQ ასისტენტის გამომავალთან. DAQ მონაცემებიდან გამომავალი ასევე მიდის max/min იდენტიფიკატორზე. სიგნალი გადის გამრავლების არითმეტიკულ ოპერატორზე. ბარიერის მნიშვნელობის გამოსათვლელად გამოიყენება რიცხვითი მაჩვენებელი 0.8. როდესაც სიგნალი აღემატება 0.8*მაქსიმუმს, აღმოჩენილია პიკი. ნებისმიერ დროს, როდესაც ეს მნიშვნელობა ინახებოდა, იგი ინახებოდა ინდექსის მასივში. ორი მონაცემთა წერტილი ინახება ინდექსის მასივში და შეტანილია გამოკლების არითმეტიკულ ოპერატორში. დროის ცვლილება იქნა ნაპოვნი ამ ორ მნიშვნელობას შორის. შემდეგ, გულისცემის გამოსათვლელად, 60 იყოფა დროის სხვაობაზე. რიცხვითი მაჩვენებელი, რომელიც ნაჩვენებია გამომავალი გრაფის გვერდით, აჩვენებს გულისცემას შეყვანის სიგნალის წუთში (დარტყმა) წუთში. პროგრამის დაყენების შემდეგ, ეს ყველაფერი უნდა ჩაიდოს უწყვეტი მარყუჟის შიგნით. სიხშირის სხვადასხვა შეყვანა იძლევა სხვადასხვა bpm მნიშვნელობებს.

ნაბიჯი 7: შეაგროვეთ ეკგ მონაცემები

ახლა თქვენ შეგიძლიათ შეიყვანოთ იმიტირებული ეკგ სიგნალი თქვენს წრეში და ჩაწეროთ მონაცემები თქვენს LabVIEW პროგრამაში! შეცვალეთ სიმულაციური ეკგ -ს სიხშირე და ამპლიტუდა, რომ ნახოთ როგორ მოქმედებს ეს თქვენს ჩაწერილ მონაცემებზე. სიხშირის შეცვლისას თქვენ უნდა ნახოთ ცვლილება გამოთვლილი გულისცემის მაჩვენებელში. თქვენ წარმატებით შექმენით ეკგ და გულისცემის მონიტორი!

ნაბიჯი 8: შემდგომი გაუმჯობესება

აგებული მოწყობილობა კარგად იმუშავებს სიმულაციური ეკგ სიგნალების მოსაპოვებლად. თუმცა, თუ გსურთ ბიოლოგიური სიგნალების ჩაწერა (დარწმუნდით, რომ დაიცავით უსაფრთხოების შესაბამისი ზომები), შემდგომი ცვლილებები უნდა მოხდეს სქემებში სიგნალის კითხვის გასაუმჯობესებლად. მაღალი გამავლობის ფილტრი უნდა დაემატოს DC ოფსეტური და დაბალი სიხშირის მოძრაობის არტეფაქტების მოსაშორებლად. ინსტრუმენტული გამაძლიერებლის მომატება ასევე ათჯერ უნდა შემცირდეს, რათა დარჩეს გამოსაყენებელ დიაპაზონში LabVIEW და op amps– ისთვის.

წყაროები

[1] S. Meek and F. Morris, “შესავალი. II-ძირითადი ტერმინოლოგია.”, BMJ, ტ. 324, არა. 7335, გვ. 470–3, 2002 წლის თებერვალი.

[2] Chia-Hung Lin, ეკგ-ს სიხშირის დომენის მახასიათებლები სცემენ დისკრიმინაციას ნაცრისფერი ურთიერთობების ანალიზზე დაფუძნებული კლასიფიკატორის გამოყენებით, კომპიუტერებსა და მათემატიკაში პროგრამებით, ტომი 55, გამოცემა 4, 2008, გვერდები 680-690, ISSN 0898-1221, [3] „მეორე რიგის ფილტრი | მეორე რიგის დაბალი გამავლობის ფილტრის დიზაინი.” ელექტრონიკის ძირითადი გაკვეთილები, 2016 წლის 9 სექტემბერი, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…