Сандық ЭКГ және жүрек соғу жиілігі мониторы: 8 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:27

ЕСКЕРТУ: Бұл медициналық құрылғы емес. Бұл тек имитациялық сигналдарды қолдану арқылы білім беру мақсатында. Егер бұл тізбекті ЭКГ-ны нақты өлшеу үшін қолданатын болсаңыз, онда схема мен құрылғы арасындағы байланыс батарея қуатын және оқшаулаудың басқа тиісті әдістерін қолданатынына көз жеткізіңіз

Электрокардиограмма (ЭКГ) жүрек циклі кезінде электр сигналдарын жазады. Жүрек соғылған сайын миокард жасушаларының деполяризация және гипер поляризация циклы жүреді. Деполяризация мен гипер поляризацияны электродтар арқылы жазуға болады, ал дәрігерлер жүректің қалай жұмыс істейтіні туралы көбірек білу үшін бұл ақпаратты оқиды. ЭКГ миокард инфарктісін, атриальды немесе қарыншалық фибрилляцияны, тахикардияны және брадикардияны анықтай алады [1]. ЭКГ -да қандай мәселе бар екенін анықтағаннан кейін дәрігерлер науқасты табысты диагноз қойып, емдей алады. Өзіңіздің электрокардиограмманы жазу құрылғысын жасауды білу үшін төмендегі қадамдарды орындаңыз!

1 -қадам: материалдар

Тізбек компоненттері:

• UA741 бес жұмыс күшейткіші
• Резисторлар
• Конденсаторлар
• Өткізгіш сымдар
• DAQ тақтасы
• LabVIEW бағдарламасы

Сынақ құралдары:

• Функция генераторы
• Тұрақты ток көзі
• Осциллограф
• BNC кабельдері мен Т-сплиттер
• Өтпелі кабельдер
• Аллигатор клиптері
• Банан ашасы

2 -қадам: аспаптық күшейткіш

Схеманың бірінші кезеңі - аспаптық күшейткіш. Бұл ЭКГ -ның әр түрлі компоненттерін ажырату үшін биологиялық сигналды күшейтеді.

Аспаптық күшейткіштің схемасы жоғарыда көрсетілген. Бұл тізбектің бірінші сатыдағы пайдасы K1 = 1 + 2*R2 / R1 ретінде анықталады. Тізбектің екінші сатыдағы күшейтуі K2 = R4 / R3 ретінде анықталады. Аспаптық күшейткіштің жалпы пайдасы K1 * K2. Бұл жобаның қалаған пайдасы шамамен 1000 болды, сондықтан K1 31, ал K2 33 болып таңдалды. Бұл табыстар үшін резистор мәндері жоғарыда схемада көрсетілген. Сіз жоғарыда көрсетілген резистор мәндерін қолдана аласыз немесе мәндерді қалаған пайдаңызға сәйкес өзгерте аласыз. **

Компоненттердің мәндерін таңдағаннан кейін схеманы тақтаға салуға болады. Нан тақтасындағы тізбекті қосылымдарды жеңілдету үшін үстіңгі жағындағы теріс көлденең рельсті жерге орнатады, ал төменгі жағындағы екі көлденең рельсті тиісінше +/- 15В құрайды.

Қалған компоненттер үшін бос орын қалдыру үшін бірінші оп -ампер тақтаның сол жағына қойылды. Тіркемелер түйреуіштердің хронологиялық ретімен қосылды. Бұл қандай бөлшектер қосылғанын немесе қосылмағанын бақылауды жеңілдетеді. Барлық түйреуіштер 1 -ампер үшін аяқталғаннан кейін, келесі оп -амптерді орналастыруға болады. Тағы да, бос орын қалдыру үшін оның салыстырмалы түрде жақын екеніне көз жеткізіңіз. Дәл осындай хронологиялық істікшелер барлық күшейткіштер үшін аспап күшейткіші аяқталғанша аяқталды.

Содан кейін сымдардағы айнымалы ток байланысынан құтылу үшін схемаға қосымша айналма конденсаторлар қосылды. Бұл конденсаторлар тұрақты кернеудің кернеуіне параллель қойылып, жоғарғы көлденең теріс рельсте жерге тұйықталған. Бұл конденсаторлар 0,1 -ден 1 микрофарадқа дейін болуы керек. Әр оптикалық күшейткіште екі айналып өтетін конденсатор бар, біреуі 4 -ші және 7 -ші шнурға арналған. Әр оп -амптың екі конденсаторы бірдей мәнге ие болуы керек, бірақ оп -амперден оп -амперге дейін өзгеруі мүмкін.

Күшейтуді тексеру үшін күшейткіштің кірісі мен шығысына сәйкес функция генераторы мен осциллограф қосылды. Кіріс сигналы осциллографқа да қосылды. Күшейтуді анықтау үшін қарапайым синус толқыны қолданылды. Функционалды генератордың шығуын аспаптық күшейткіштің екі кіріс терминалына енгізіңіз. Осциллографты шығыс сигналының кіріс сигналына қатынасын өлшейтін етіп орнатыңыз. Децибелдегі тізбектің пайдасы - Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). 1000 пайда үшін децибелдегі кіріс 60 дБ құрайды. Осциллографты қолдана отырып, сіз құрастырылған тізбектің пайдасы сіздің сипаттамаларға сәйкес келетінін немесе тізбекті жақсарту үшін резистордың кейбір мәндерін өзгерту қажет екенін анықтай аласыз.

Құрал күшейткіші дұрыс жиналғаннан және жұмыс істегеннен кейін, сіз фильтрлік сүзгіге өтуге болады.

** Жоғарыдағы схемада R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

3 -қадам: ойық сүзгісі

Шұңқырлы сүзгінің мақсаты - 60 Гц қабырғадағы қуат көзінен шуды кетіру. Шұңқырлы сүзгі сигналды шектеу жиілігінде әлсіретеді және жиіліктерді оның үстінен және астынан өткізеді. Бұл схема үшін қажетті ажырату жиілігі 60 Гц.

Жоғарыда көрсетілген схеманың басқарушы теңдеулері R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) және R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), мұнда Q - сапа коэффициенті және w - 2 * pi * (үзілу жиілігі). Сапа коэффициенті 8 резистор мен конденсатордың мәндерін қолайлы диапазонда береді. Конденсатордың мәндерін бәрі бірдей деп қабылдауға болады. Осылайша сіз өзіңіздің жинақтарыңызда бар конденсатордың мәнін таңдай аласыз. Жоғарыдағы тізбекте көрсетілген резистордың мәндері 60 Гц жиілікке, 8 коэффициент коэффициентіне және 0,22 уФ конденсатордың мәніне арналған.

Конденсаторлар параллель қосылатындықтан, 2С мәніне жету үшін таңдалған С мәніндегі екі конденсатор параллель орналастырылды. Сондай -ақ, айнымалы конденсаторлар оп күшейткішке қосылды.

Шұңқырлы сүзгіні сынау үшін функция генераторының шығысын ойық сүзгісінің кірісіне қосыңыз. Осциллографта тізбектің кіруі мен шығуын бақылаңыз. Тиімді фильтрге ие болу үшін сізде жиілікте -20дБ -дан кем немесе тең пайда болуы керек. Компоненттер идеалды емес болғандықтан, оған жету қиын болуы мүмкін. Есептелген резистор мен конденсатордың мәндері сізге қажетті кірісті бермеуі мүмкін. Бұл резистор мен конденсатордың мәніне өзгерістер енгізуді талап етеді.

Ол үшін бір уақытта бір компонентке назар аударыңыз. Басқа компоненттерді өзгертпестен бір компоненттің мәнін көбейтіңіз және төмендетіңіз. Бұл тізбектің пайда болуына әсер ететінін байқаңыз. Бұл қажетті табысқа жету үшін көп шыдамдылықты қажет етуі мүмкін. Есіңізде болсын, резистордың мәнін жоғарылату немесе төмендету үшін резисторларды тізбектей қосуға болады. Біздің кірісті жақсартқан өзгеріс конденсаторлардың біреуін 0,33 уФ дейін ұлғайту болды.

4 -қадам: төмен өту сүзгісі

Төмен өту сүзгісі ЭКГ сигналына кедергі келтіруі мүмкін жоғары жиілікті шуды жояды. ЭКГ толқындық формадағы ақпаратты алу үшін 40 Гц төмен өту жиілігі жеткілікті. Алайда ЭКГ -ның кейбір компоненттері 40 Гц -тен асады. 100 Гц немесе 150 Гц ажыратымдылықты да қолдануға болады [2].

Төмен өтетін сүзгі - екінші дәрежелі Баттерворт сүзгісі. Біздің тізбектің кірісі аспаптық күшейткішпен анықталатындықтан, біз төмен өту сүзгісі үшін диапазондағы 1 кірісті алғымыз келеді. 1 пайда алу үшін РА қысқа тұйықталған, ал РБ ашық схемада жоғарыдағы схемада [3]. Схемада C1 = 10 / (fc) uF, мұндағы fc - үзіліс жиілігі. C1 C2 * a^2 / (4 * b) -тен аз немесе оған тең болуы керек. Екінші ретті Butterworth сүзгісі үшін a = sqrt (2) және b = 1. a және b мәндерін қосқанда, C2 теңдеуі C1 / 2 -ден кіші немесе тең болады. Содан кейін R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a^2 * C2^2 - 4 * b * C1 * C2))] және R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), мұнда w = 2 * pi * fc Бұл схема бойынша есептеулер 40 Гц үзілісті қамтамасыз ету үшін аяқталды. Осы сипаттамаларға сәйкес келетін резистор мен конденсатордың мәндері жоғарыдағы схемада көрсетілген.

Оператор нон тақтасының оң жағына орналастырылды, өйткені одан кейін басқа компоненттер қосылмайды. Схеманы аяқтау үшін оптикалық күшейткішке резисторлар мен конденсаторлар қосылды. Айналым конденсаторлары оп күшейткішке де қосылды. Кіріс терминалы бос қалдырылды, себебі кіріс фильтрдің шығыс сигналынан болады. Дегенмен, тестілеу мақсатында кіріс өткізгішке төмен өткізгішті сүзгіден оқшаулау және оны жеке тексеру үшін сым қойылды.

Кіріс сигналы ретінде функционалды генератордан синус толқыны пайдаланылды және әр түрлі жиілікте байқалды. Осциллографта кіріс және шығыс сигналдарын бақылаңыз және әр түрлі жиіліктегі тізбектің күшейтілуін анықтаңыз. Төмен өту сүзгісі үшін үзіліс жиілігіндегі пайда -3db болуы керек. Бұл схема үшін ажырату 40 Гц жиілікте болуы керек. 40 Гц жиіліктегі толқын түрінде әлсіреу болмауы керек, бірақ жиілік 40 Гц -тен жоғарылаған сайын күшейтілуді жалғастыру керек.

5 -қадам: тізбек сатыларын жинау

Сіз тізбектің әр кезеңін құрып, оларды дербес тексергеннен кейін, олардың барлығын қосуға болады. Аспаптық күшейткіштің шығысы ойық сүзгісінің кірісіне қосылуы керек. Шұңқырлы сүзгінің шығысы төмен өту сүзгісінің кірісіне қосылуы керек.

Схеманы тексеру үшін функционалды генератордың кіруін аспаптық күшейткіш сатысының кірісіне қосыңыз. Осциллографта тізбектің кіруі мен шығуын бақылаңыз. Сіз функционалды генератордан алдын ала бағдарламаланған ЭКГ толқынымен немесе синусоидалық толқынмен тексеріп, тізбегіңіздің әсерін бақылай аласыз. Жоғарыда көрсетілген осциллографтың кескінінде сары қисық - кіріс толқыны, ал жасыл қисық - шығыс.

Сіз барлық тізбек сатыларын қосып, оның дұрыс жұмыс істейтінін көрсеткеннен кейін, сіз схеманың шығысын DAQ тақтасына қосып, LabVIEW бағдарламалауды бастай аласыз.

6 -қадам: LabVIEW бағдарламасы

LabVIEW коды - әр түрлі жиіліктегі ЭКГ толқынының бір метрдегі соққыларын анықтау. LabVIEW бағдарламасында бағдарламалау үшін алдымен барлық компоненттерді анықтау қажет. Деректерді алу (DAQ) тақтасы деп аталатын аналогты -цифрлық түрлендіргішті үздіксіз жұмыс істейтін етіп баптап, орнату керек. Тізбектен шығатын сигнал DAQ тақтасының кірісіне қосылады. LabVIEW бағдарламасындағы толқын пішіні графигі DAQ көмекшісінің шығысына тікелей қосылады. DAQ деректерінен шығатын нәтиже max/min идентификаторына түседі. Содан кейін сигнал көбейту арифметикалық операторынан өтеді. Шекті мәнді есептеу үшін 0,8 сандық көрсеткіші қолданылады. Сигнал 0,8*Максимумнан асқанда, шың анықталады. Кез келген уақытта бұл мән индекс массивінде сақталатыны анықталды. Екі деректер нүктесі индекстік массивте сақталады және азайту арифметикалық операторына енгізіледі. Уақыттың өзгеруі осы екі мән арасында табылды. Содан кейін, жүрек соғу жиілігін есептеу үшін 60 уақыт айырмашылығына бөлінеді. Сандық индикатор, шығыс графигінің жанында көрсетіледі, кіріс сигналының минутына (bpm) жүрек соғу жиілігін шығарады. Бағдарлама орнатылғаннан кейін оның барлығын үздіксіз циклдің ішіне қою керек. Әр түрлі жиілік кірістері әр түрлі bpm мәндерін береді.

7 -қадам: ЭКГ деректерін жинау

Енді сіз өзіңіздің схемаңызға симуляцияланған ЭКГ сигналын енгізе аласыз және LabVIEW бағдарламасында деректерді жаза аласыз! Жазылған мәліметтерге қалай әсер ететінін көру үшін имитациялық ЭКГ жиілігі мен амплитудасын өзгертіңіз. Сіз жиілікті өзгерте отырып, есептелген жүрек соғу жиілігінің өзгеруін көруіңіз керек. Сіз ЭКГ мен жүрек соғу жиілігінің мониторын сәтті жасадыңыз!

8 -қадам: одан әрі жетілдіру

Құрылған құрылғы симуляцияланған ЭКГ сигналдарын алу үшін жақсы жұмыс істейді. Алайда, егер сіз биологиялық сигналдарды жазғыңыз келсе (тиісті қауіпсіздік шараларын сақтауды ұмытпаңыз), сигналды оқуды жақсарту үшін тізбектерге қосымша өзгертулер енгізу қажет. Тұрақты токтың ығысуын және төмен жиілікті қозғалыстың артефактілерін жою үшін жоғары өту сүзгісін қосу керек. Аспаптық күшейткіштің табысын LabVIEW және оптикалық амперлер үшін жарамды диапазонда қалу үшін он есе азайту керек.

Дереккөздер

[1] С. Мик пен Ф. Моррис, «Кіріспе. II-негізгі терминология.,”BMJ, т. 324, жоқ. 7335, 470–3 бб., Ақпан 2002 ж.

[2] Chia-Hung Lin, ЭКГ үшін жиілік-домендік ерекшеліктері сұр реляциялық анализге негізделген сұрыптауыш көмегімен кемсітушілікті жеңеді, Қолданбалы компьютерлер мен математикада, 55 том, 4 шығарылым, 2008 ж., 680-690 беттер, ISSN 0898-1221, [3] «Екінші ретті сүзгі | Екінші ретті төмен өту сүзгі дизайны ». Электрониканың негізгі оқулықтары, 9 қыркүйек 2016 ж., Www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…