Биоэлектрлік сигналдарды жазу: ЭКГ және жүрек соғу жиілігі мониторы: 7 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 тізбек пен құрылғы арасындағы байланыс оқшаулаудың тиісті әдістерін қолданатынына көз жеткізіңіз.

Электрокардиограмма (ЭКГ) - бұл зерттелушінің жүрегінің электрлік белсенділігін анықтау және өлшеу үшін беттік электродтар объектіге белгіленген тәртіппен қойылатын сынақ [1]. ЭКГ -ның көптеген қолданылуы бар және ол жүрек ауруларын диагностикалауға, стресстік тестілерге және операция кезінде бақылауға көмектесу үшін қызмет ете алады. ЭКГ сонымен қатар жүрек соғуының өзгеруін, аритмияны, инфарктты және басқа да көптеген тәжірибелер мен ауруларды анықтай алады [1], сондай -ақ жоғарыда көрсетілген проблемалық мәлімдемеде. ЭКГ арқылы өлшенетін жүрек сигналы жұмыс істейтін жүректің тірі қоректенуін бейнелейтін үш түрлі толқын формасын шығарады, олар жоғарыдағы суретте көрсетілген.

Бұл жобаның мақсаты - дыбыс шығаратын генератордан немесе адамнан ЭКГ сигналын алатын және сигналды жаңғыртатын құрылғы құру. Жүйенің шығысы BPM есептейді.

Бастайық!

1 -қадам: барлық материалдарды жинаңыз

Бұл ЭКГ жасау үшін біз екі негізгі бөліктен тұратын жүйені құрамыз, бұл схема мен LabVIEW жүйесі. Тізбектің мақсаты - біз қалаған сигналды алғанымызға көз жеткізу. Біздің ЭКГ сигналын сөндіретін көптеген қоршаған орта шуылдары бар, сондықтан біз сигналды күшейтіп, кез келген шуды сүзуіміз керек. Сигнал тізбек арқылы сүзілгеннен және күшейтілгеннен кейін біз тазартылған сигналды LabVIEW бағдарламасына жібере аламыз, ол толқын пішінін көрсетеді, сонымен қатар BPM есептейді. Бұл жоба үшін келесі материалдар қажет:

-Резистор, конденсатор және жұмыс күшейткіші (оп -ампер -UA741 қолданылды) электрлік компоненттер

-Құрылысқа және сынауға арналған дәнекерленген тақта

-Опера күшейткіштерді қуатпен қамтамасыз ету үшін DC ток көзі

-Биоэлектрлік сигналды беретін функция генераторы

-Кіріс сигналын қарау үшін осциллограф

-сигналды аналогтан цифрға түрлендіру үшін DAQ тақтасы

-шығыс сигналын бақылауға арналған LABVIEW бағдарламасы

-BNC және ауыспалы ұш сымдары

2 -қадам: схеманы жобалау

Біз жаңа талқылағандай, сигналды сүзу де, күшейту де қажет. Мұны істеу үшін біз тізбектің 3 түрлі кезеңін орната аламыз. Біріншіден, біз сигналды күшейтуіміз керек. Мұны аспаптық күшейткішті қолдану арқылы жасауға болады. Осылайша, біздің кіріс сигналын соңғы өнімде әлдеқайда жақсы көруге болады. Содан кейін бізге осы құрал күшейткіші бар сериялы ойық сүзгісі қажет. Шұңқырлы сүзгі біздің қуат көзінен шуды жою үшін қолданылады. Осыдан кейін бізде төмен өту сүзгісі болуы мүмкін. ЭКГ көрсеткіштері әдетте төмен жиілікте болғандықтан, біз ЭКГ көрсеткіштерінен тыс жиіліктегі барлық жиіліктерді кескіміз келеді, сондықтан біз төмен өту сүзгісін қолданамыз. Бұл кезеңдер келесі қадамдарда толығырақ түсіндіріледі.

Егер сіздің тізбегіңізде қиындықтар туындаса, сіздің схемаңызды онлайн бағдарламада модельдеу жақсы. Осылайша сіз резистор мен конденсатордың есептеулерінің дұрыстығын тексере аласыз.

3 -қадам: аспаптық күшейткішті жобалау

Биоэлектрлік сигналды тиімді бақылау үшін сигналды күшейту қажет. Бұл жоба үшін жалпы нәтижеге жету 1000 В/В құрайды. Аспаптық күшейткіштен көрсетілген табысқа жету үшін тізбектің кедергі мәндері келесі теңдеулермен есептелді:

(1 кезең) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(2 кезең) K2 = -R4 / R3

Жалпы пайданы есептеу үшін кезеңдердің әрқайсысы көбейтіледі. 1000 В/В күшейту үшін таңдалған резистор мәндері R1 = 10 кОм, R2 = 150 кОм, R3 = 10 кОм және R4 = 330 кОм. +/- 15 В кернеу диапазонын беру үшін тұрақты ток көзін қолданыңыз (ток шегін төмен ұстаңыз) физикалық тізбектің оп-амперін қуаттандыру үшін. Егер сіз резисторлардың шын мәнін тексергіңіз келсе немесе құрылысқа кіріспес бұрын осы табысқа қол жеткізгіңіз келсе, PSpice немесе CircuitLab сияқты онлайн режимінде схеманы имитациялай аласыз немесе берілген сигналдық кернеу осциллографын қолданып, шындықты тексеріңіз. физикалық күшейткішті жасағаннан кейін пайда болады. Тізбекті іске қосу үшін функция генераторы мен осциллографты күшейткішке қосыңыз.

Жоғарыдағы фотосуретте PSpice модельдеу бағдарламасында тізбек қалай көрінетіні бейнеленген. Электр тізбегінің дұрыс жұмыс істеп тұрғанын тексеру үшін функционалды генератордан 1 кГц 10 мВ шыңға дейінгі синусонды беріңіз, тізбек арқылы және осциллографқа. Осциллографта шыңнан шыңға дейінгі 10 В синусалық толқын байқалуы керек.

4 -қадам: Сүзгі сүзгісін жобалау

Бұл тізбекпен жұмыс істеудегі ерекше мәселе - бұл 60 Гц шу сигналының Америка Құрама Штаттарындағы электрмен жабдықтау желілері арқылы шығарылуы. Бұл шуды кетіру үшін тізбеге кіріс сигналын 60 Гц жиілікпен сүзу керек, ал мұны фильтрлі сүзгіден гөрі жақсы!

Шұңқырлы сүзгі (жоғарыда көрсетілген схема) - бұл сигналдан белгілі бір жиілікті жою үшін қолданылатын электрлік сүзгінің белгілі бір түрі. 60 Гц сигналды өшіру үшін келесі теңдеулерді есептедік:

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

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

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Дұрыс дәл сүзгіні құрастыру үшін 8 сапа коэффициентін (Q) қолдана отырып, жинауды жеңілдету үшін сыйымдылығы (C) 0,033 uFarads және орталық жиілігі (w) 2 * pi * 60 Гц. Бұл R1 = 5.024 kOhms, R2 = 1.2861 MOhms және R3 = 5.004 kOhms резисторларының мәндерін табысты есептеді және кіріс биоэлектрлік сигналынан 60 Гц жиілікті жою үшін сүзгіні сәтті құрды. Егер сіз сүзгіні тексергіңіз келсе, желіде PSpice немесе CircuitLab сияқты бағдарламаны қолдана отырып схеманы имитациялай аласыз немесе берілген сигналдық кернеуі бар осциллографты қолдана аласыз және физикалық күшейткішті орнатқаннан кейін жойылған сигналды тексере аласыз. Тізбекті іске қосу үшін функция генераторы мен осциллографты күшейткішке қосыңыз.

Бұл тізбектің көмегімен 1 Гц-ден 1 кГц дейінгі жиіліктер диапазонында 1 В шыңнан жоғарыға дейінгі сигналда айнымалы токты шығару шығыс учаскесінде 60 Гц жиілігіндегі «ойық» түріндегі мүмкіндікті беруі керек, ол кірістен шығарылады. сигнал.

5 -қадам: Low Pass сүзгісін жобалау

Тізбектің соңғы кезеңі-төмен өту сүзгісі, атап айтқанда Екінші дәрежелі Баттерворт төмен өтетін сүзгі. Бұл ЭКГ сигналын оқшаулау үшін қолданылады. ЭКГ толқындық формалары әдетте 0 -ден ~ 100 Гц жиілік шегінде болады. Осылайша, біз резистор мен конденсатордың мәндерін 100 Гц жиілікке және 8 коэффициентіне сүйене отырып есептейміз, бұл бізге салыстырмалы дәл сүзгіні береді.

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

Біз есептеген мәндер R1 = 81.723kOhms, R2 = 120.92kOHms, C1 = 0.1 microFarads және C2 = 0.045 microFarads болды. Тұрақты кернеуі + және - 15В болатын оп -амперлерді қосыңыз. Егер сіз сүзгіні тексергіңіз келсе, желіде PSpice немесе CircuitLab сияқты бағдарламаны қолдана отырып, схеманы имитациялай аласыз немесе берілген сигналдық кернеуі бар осциллографты қолданып, физикалық күшейткішті орнатқаннан кейін жойылған сигналды тексере аласыз. Тізбекті іске қосу үшін функция генераторы мен осциллографты күшейткішке қосыңыз. Үзіліс жиілігінде -3 дБ шамасын көру керек. Бұл сіздің тізбегіңіздің дұрыс жұмыс істейтінін көрсетеді.

6 -қадам: LabVIEW орнату

Енді схема құрылды, біз өз сигналымызды түсіндіре алғымыз келеді. Ол үшін LabVIEW бағдарламасын қолдана аламыз. DAQ көмекшісін схемадан сигнал алу үшін пайдалануға болады. LabVIEW ашқаннан кейін схеманы жоғарыдағы диаграммада көрсетілгендей орнатыңыз. DAQ көмекшісі бұл кірісті оқудан алады және сигнал толқын пішінінің графигіне өтеді. Бұл ЭКГ толқындық формасын көруге мүмкіндік береді!

Содан кейін біз BPM есептегіміз келеді. Жоғарыда келтірілген қондырғы мұны сіз үшін жасайды. Бағдарлама алдымен ЭКГ сигналының максималды мәндерін қабылдау арқылы жұмыс істейді. Шекті мән бізге кіретін барлық жаңа мәндерді анықтауға мүмкіндік береді, олар біздің максималды мәніміздің пайызына жетеді (бұл жағдайда 90%). Осы мәндердің орналасуы индекстеу массивіне жіберіледі. Индекстеу 0 -ден басталатындықтан, біз 0 -ші және 1 -ші нүктені алып, олардың арасындағы уақыт өзгерісін есептегіміз келеді. Бұл бізге соққылар арасындағы уақытты береді. Содан кейін біз BPM табу үшін бұл деректерді экстраполяциялаймыз. Нақтырақ айтқанда, бұл dt элементінің шығысы мен индекстеу массивтеріндегі екі мән арасындағы азайтудың шығуын көбейту арқылы жасалады, содан кейін 60 -қа бөлінеді (өйткені біз минутқа түрлендіреміз).

7 -қадам: Барлығын қосыңыз және тексеріңіз

DAQ тақтасының кірісіне тізбекті қосыңыз. Енді сіз енгізетін сигнал DAQ тақтасына өтеді және LabVIEW бағдарламасы толқын пішіні мен есептелген BPM шығарады.

Құттықтаймын!