ბიოელექტრული სიგნალების ჩაწერა: ეკგ და გულისცემის მონიტორი: 7 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 ამ სქემას იყენებთ ეკგ-ს რეალური გაზომვებისათვის, გთხოვთ დარწმუნდეთ, რომ წრე და ინსტრუმენტთან კავშირი იყენებს იზოლაციის სათანადო ტექნიკას.

ელექტროკარდიოგრაფია (ეკგ) არის ტესტი, რომლის დროსაც ზედაპირული ელექტროდები მოთავსებულია საგანზე განსაზღვრული წესით, რათა აღმოაჩინოს და გაზომოს სუბიექტის გულის ელექტრული აქტივობა [1]. ეკგ -ს მრავალი გამოყენება აქვს და შეუძლია იმოქმედოს გულის დაავადებების დიაგნოსტიკაში, სტრეს -ტესტებში და დაკვირვებაში ოპერაციის დროს. ეკგ -ს ასევე შეუძლია გამოავლინოს ცვლილებები გულისცემაში, არითმიები, გულის შეტევა და სხვა მრავალი გამოცდილება და დაავადება [1] ასევე აღწერილია ზემოთ აღწერილი პრობლემის შესახებ. ეკგ -ით გაზომილი გულის სიგნალი წარმოქმნის სამ განსხვავებულ ტალღის ფორმას, რომელიც ასახავს მოქმედი გულის ცოცხალ საკვებს. ეს ნაჩვენებია ზემოთ მოცემულ სურათზე.

ამ პროექტის მიზანია შექმნას მოწყობილობა, რომელსაც შეუძლია მიიღოს ეკგ სიგნალი გამომავალი გენერატორისგან ან ადამიანისგან და მოახდინოს სიგნალის რეპროდუცირება ხმაურის აღმოფხვრისას. სისტემის გამომუშავება ასევე ითვლის BPM- ს.

Დავიწყოთ!

ნაბიჯი 1: შეაგროვეთ ყველა მასალა

ამ ეკგ -ს შესაქმნელად ჩვენ შევქმნით სისტემას, რომელიც შედგება ორი ძირითადი ნაწილისგან: წრიული და LabVIEW სისტემა. მიკროსქემის მიზანია დავრწმუნდეთ, რომ ჩვენ ვიღებთ სიგნალს, რაც გვსურს. არსებობს ბევრი გარემოს ხმაური, რომელსაც შეუძლია ჩვენი ეკგ სიგნალის დახშობა, ამიტომ ჩვენ უნდა გავაძლიეროთ ჩვენი სიგნალი, ასევე გავფილტროთ ნებისმიერი ხმაური. მას შემდეგ, რაც სიგნალი გაფილტრული და გაძლიერებულია მიკროსქემის გავლით, ჩვენ შეგვიძლია გავაგზავნოთ დახვეწილი სიგნალი LabVIEW პროგრამაში, რომელიც აჩვენებს ტალღის ფორმას, ასევე გამოთვლის BPM- ს. ამ პროექტისათვის საჭიროა შემდეგი მასალები:

-რეზისტორი, კონდენსატორი და საოპერაციო გამაძლიერებელი (op -amps -UA741 იყო გამოყენებული) ელექტრული კომპონენტები

-შედუღების გარეშე დაფა მშენებლობისა და გამოცდისთვის

-DC ელექტრომომარაგება, რათა უზრუნველყოს დენის გამაძლიერებლები

-ფუნქციის გენერატორი ბიოელექტრული სიგნალის მიწოდებისთვის

-ოსცილოსკოპი შესასვლელი სიგნალის სანახავად

-DAQ დაფა სიგნალის ანალოგურიდან ციფრულზე გადასაყვანად

-LabVIEW პროგრამული უზრუნველყოფა, რომელიც აკვირდება გამომავალ სიგნალს

-BNC და ცვლადი ბოლოს ტყვიის კაბელები

ნაბიჯი 2: სქემის დიზაინი

როგორც უკვე განვიხილეთ, აუცილებელია გავფილტროთ და გავაძლიეროთ ჩვენი სიგნალი. ამისათვის ჩვენ შეგვიძლია შევქმნათ ჩვენი წრის 3 განსხვავებული ეტაპი. პირველ რიგში, ჩვენ უნდა გავაძლიეროთ ჩვენი სიგნალი. ეს შეიძლება გაკეთდეს ინსტრუმენტული გამაძლიერებლის გამოყენებით. ამგვარად, ჩვენი შეყვანის სიგნალი ბევრად უკეთესად ჩანს საბოლოო პროდუქტში. ჩვენ გვჭირდება სერიული დონის ფილტრი ამ ინსტრუმენტის გამაძლიერებლით. მაღალი დონის ფილტრი გამოყენებული იქნება ჩვენი ენერგიის წყაროს ხმაურის აღმოსაფხვრელად. ამის შემდეგ, ჩვენ შეგვიძლია გვქონდეს დაბალი გავლის ფილტრი. ვინაიდან ელექტროკარდიოგრაფიის მაჩვენებლები ჩვეულებრივ დაბალი სიხშირისაა, ჩვენ გვსურს შეწყვიტოთ ყველა ის სიხშირე, რომელიც არის ჩვენი ეკგ -ს კითხვის საზღვრებს მიღმა, ამიტომ ვიყენებთ დაბალი გამავლობის ფილტრს. ეს ეტაპები უფრო დეტალურად არის აღწერილი შემდეგ ნაბიჯებში.

თუ თქვენ გაქვთ პრობლემები თქვენს წრედში, უმჯობესია თქვენი სქემის სიმულაცია გააკეთოთ ონლაინ პროგრამაში. ამ გზით, თქვენ შეგიძლიათ შეამოწმოთ რამდენად სწორია თქვენი გათვლები რეზისტორისა და კონდენსატორის მნიშვნელობებზე.

ნაბიჯი 3: შეიმუშავეთ ინსტრუმენტების გამაძლიერებელი

ბიოელექტრული სიგნალის უფრო ეფექტურად დასაკვირვებლად, სიგნალი უნდა გაძლიერდეს. ამ პროექტისთვის, საერთო მიზნის მისაღწევად არის 1000 ვ/ვ. ინსტრუმენტული გამაძლიერებლისგან განსაზღვრული მოგების მისაღწევად, წრედის წინააღმდეგობის მნიშვნელობები გამოითვლება შემდეგი განტოლებებით:

(ეტაპი 1) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(ეტაპი 2) K2 = -R4 / R3

სადაც თითოეული ეტაპი მრავლდება მთლიანი მოგების გამოსათვლელად. რეზისტენტული მნიშვნელობები არჩეულია 1000 ვ/ვ -ის მომატების შესაქმნელად R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms და R4 = 330 kOhms. გამოიყენეთ DC ელექტრომომარაგება, რომ მისცეთ +/- 15 V ძაბვის დიაპაზონი (მიმდინარე ლიმიტის დაბალი შენარჩუნება), რათა ჩართოთ ფიზიკური წრედის ოპ-ამპერები. თუ თქვენ გსურთ შეამოწმოთ რეზისტორების ნამდვილი მნიშვნელობები, ან გსურთ მიაღწიოთ ამ მოგებას მშენებლობის დაწყებამდე, შეგიძლიათ ჩართოთ სქემა ისეთი პროგრამის გამოყენებით, როგორიცაა PSpice ან CircuitLab ინტერნეტით, ან გამოიყენოთ ოსცილოსკოპი მოცემული შეყვანის სიგნალის ძაბვით და შეამოწმოთ ჭეშმარიტი მოგება ფიზიკური გამაძლიერებლის აგების შემდეგ. ჩართეთ ფუნქციის გენერატორი და ოსცილოსკოპი გამაძლიერებელთან, რომ ჩართოთ წრე.

ზემოთ მოყვანილი ფოტო ასახავს როგორ გამოიყურება წრე სიმულაციური პროგრამული უზრუნველყოფის PSpice– ში. იმის შესამოწმებლად, რომ თქვენი წრე მუშაობს გამართულად, მიაწოდეთ 1 კჰც 10 მვ პივ-პიკ სინუს ტალღა ფუნქციის გენერატორიდან, წრედის გავლით და ოსცილოსკოპამდე. 10 ვ პიკიდან პიკამდე სინუსური ტალღა უნდა შეინიშნოს ოსცილოსკოპზე.

ნაბიჯი 4: დიზაინი Notch ფილტრი

ამ წრესთან მუშაობისას განსაკუთრებული პრობლემაა ის ფაქტი, რომ 60 ჰც ხმაურის სიგნალი იწარმოება შეერთებულ შტატებში ელექტრომომარაგების ხაზებით. ამ ხმაურის მოსაშორებლად, წრეში შესასვლელი სიგნალი უნდა გაფილტრული იყოს 60 ჰერცზე და რა არის უკეთესი ამის გაკეთება, ვიდრე მაღალი დონის ფილტრით!

მაღალი დონის ფილტრი (ზემოთ გამოსახული სქემა) არის გარკვეული ტიპის ელექტრული ფილტრი, რომლის საშუალებითაც შესაძლებელია სიგნალიდან კონკრეტული სიხშირის ამოღება. 60 Hz სიგნალის ამოღების მიზნით, ჩვენ გამოვთვალეთ შემდეგი განტოლებები:

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

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

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

Q = w / B

B = w2 - w1

ხარისხიანი ფაქტორის (Q) გამოყენება 8 -ისთვის ღირსეულად ზუსტი ფილტრის შესაქმნელად, ტევადობა (C) 0,033 uFarads ადვილი შეკრებისთვის და ცენტრის სიხშირე (w) 2 * pi * 60 Hz. ამან წარმატებით გამოთვალა რეზისტორების R1 = 5.024 kOhms, R2 = 1.2861 MOhms და R3 = 5.004 kOhms და წარმატებით შექმნა ფილტრი, რომ ამოიღოს 60 Hz სიხშირე შეყვანის ბიოელექტრული სიგნალიდან. თუ გსურთ ფილტრის შემოწმება, შეგიძლიათ ჩართოთ სქემა ისეთი პროგრამის გამოყენებით, როგორიცაა PSpice ან CircuitLab ინტერნეტით, ან გამოიყენოთ ოსცილოსკოპი მოცემული შეყვანის სიგნალის ძაბვით და შეამოწმოთ ამოღებული სიგნალი ფიზიკური გამაძლიერებლის აგების შემდეგ. ჩართეთ ფუნქციის გენერატორი და ოსცილოსკოპი გამაძლიერებელთან, რომ ჩართოთ წრე.

ამ სქემით AC გაწმენდისას სიხშირის დიაპაზონში 1 Hz– დან 1 kHz– მდე 1 V პიკი მწვერვალზე სიგნალზე უნდა გამოიღოს „მაღალი დონის“ფუნქცია 60 Hz– ზე გამომავალ ნაკვეთში, რომელიც ამოღებულია შეყვანისგან სიგნალი.

ნაბიჯი 5: დაბალი გამავლობის ფილტრის შემუშავება

მიკროსქემის დასკვნითი ეტაპი არის დაბალი გამავლობის ფილტრი, კერძოდ მეორე რიგის ბათერვორტის დაბალი გავლის ფილტრი. ეს გამოიყენება ჩვენი ეკგ სიგნალის იზოლირებისთვის. ეკგ -ს ტალღების ფორმები ჩვეულებრივ 0 -დან ~ 100 ჰც -მდე სიხშირის ფარგლებშია. ამრიგად, ჩვენ ვიანგარიშებთ ჩვენს რეზისტორსა და კონდენსატორს, 100 ჰც სიხშირისა და ხარისხის 8 ფაქტორის საფუძველზე, რაც მოგვცემს შედარებით ზუსტ ფილტრს.

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

ჩვენ მიერ გამოთვლილი მნიშვნელობები დასრულდა R1 = 81.723kOhms, R2 = 120.92kOHms, C1 = 0.1 microFarads და C2 = 0.045 microFarads. ჩართეთ op -amps DC ძაბვით + და - 15V. თუ გსურთ ფილტრის შემოწმება, შეგიძლიათ ჩართოთ სქემა ისეთი პროგრამის გამოყენებით, როგორიცაა PSpice ან CircuitLab ინტერნეტით, ან გამოიყენოთ ოსცილოსკოპი მოცემული შეყვანის სიგნალის ძაბვით და შეამოწმოთ ამოღებული სიგნალი ფიზიკური გამაძლიერებლის აგების შემდეგ. ჩართეთ ფუნქციის გენერატორი და ოსცილოსკოპი გამაძლიერებელთან, რომ ჩართოთ წრე. შეწყვეტის სიხშირეზე, თქვენ უნდა ნახოთ სიდიდე -3 დბ. ეს მიუთითებს იმაზე, რომ თქვენი წრე სწორად მუშაობს.

ნაბიჯი 6: LabVIEW– ის დაყენება

ახლა, როდესაც წრე შეიქმნა, ჩვენ გვინდა, რომ შეგვეძლოს ჩვენი სიგნალის ინტერპრეტაცია. ამისათვის ჩვენ შეგვიძლია გამოვიყენოთ LabVIEW. DAQ ასისტენტი შეიძლება გამოყენებულ იქნას სიგნალის წრიდან. LabVIEW- ის გახსნის შემდეგ, ჩართეთ სქემა, როგორც ნაჩვენებია ზემოთ დიაგრამაში. DAQ ასისტენტი მიიღებს ამ შეყვანის კითხვას წრიდან და სიგნალი მიდის ტალღის ფორმის დიაგრამაზე. ეს საშუალებას მოგცემთ ნახოთ ეკგ -ს ტალღის ფორმა!

შემდეგი ჩვენ გვინდა გამოვთვალოთ BPM. ზემოთ დაყენებული ამას გააკეთებს თქვენთვის. პროგრამა ფუნქციონირებს ჯერ შემომავალი ეკგ სიგნალის მაქსიმალური მნიშვნელობების აღებით. ბარიერი მნიშვნელობა საშუალებას გვაძლევს გამოვავლინოთ ყველა ახალი მნიშვნელობა, რომელიც მოდის, რომელიც აღწევს ჩვენი მაქსიმალური მნიშვნელობის პროცენტს (ამ შემთხვევაში, 90%). ამ მნიშვნელობების ადგილები იგზავნება ინდექსირების მასივში. ვინაიდან ინდექსაცია იწყება 0 -ზე, ჩვენ გვინდა ავიღოთ 0 და 1 წერტილი და გამოვთვალოთ მათ შორის დროის ცვლილება. ეს გვაძლევს დროს დარტყმებს შორის. შემდეგ ჩვენ ვაგროვებთ ამ მონაცემებს, რათა ვიპოვოთ BPM. კერძოდ, ეს ხდება ინდექსირების მასივებში ორ მნიშვნელობას შორის გამომავალი dt ელემენტიდან და გამოკლების გამომუშავებით, შემდეგ კი 60 -ზე გაყოფით (ვინაიდან ჩვენ ვცვლით წუთებს).

ნაბიჯი 7: შეაერთეთ ეს ყველაფერი და გამოსცადეთ

შეაერთეთ წრე DAQ დაფის შესასვლელთან. ახლა სიგნალი, რომელსაც თქვენ შეიყვანთ, წრიულად გაივლის DAQ დაფაზე და LabVIEW პროგრამა გამოუშვებს ტალღის ფორმას და გამოთვლილ BPM- ს.

Გილოცავ!