ECG آسان خودکار (1 تقویت کننده ، 2 فیلتر): 7 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:54

الکتروکاردیوگرام (ECG) فعالیت الکتریکی قلب را با استفاده از الکترودهای مختلف قرار گرفته روی پوست اندازه گیری و نمایش می دهد. نوار قلب را می توان با استفاده از تقویت کننده ابزار ، فیلتر ناچ و فیلتر کم گذر ایجاد کرد. در نهایت ، سیگنال فیلتر شده و تقویت شده را می توان با استفاده از نرم افزار LabView تجسم کرد. LabView همچنین از فرکانس ورودی سیگنال برای محاسبه ضربان قلب سوژه انسانی استفاده می کند. تقویت کننده ابزار ساخته شده در گرفتن سیگنال کوچک بدن و تقویت آن تا 1 ولت موفق بود ، بنابراین می توان آن را در رایانه با استفاده از LabView مشاهده کرد. فیلترهای ناچ و کم گذر در کاهش نویز 60 هرتز از منابع تغذیه و تداخل سیگنالهای بالاتر از 350 هرتز موفق بودند. ضربان قلب در حالت استراحت 75 ضربه در دقیقه و 137 ضربه در دقیقه بعد از پنج دقیقه ورزش شدید اندازه گیری شد. نوار قلب ساخته شده قادر به اندازه گیری ضربان قلب در مقادیر واقعی و تجسم اجزای مختلف شکل موج نوار قلب معمولی است. در آینده ، این ECG را می توان با تغییر مقادیر غیرفعال در فیلتر ناچ برای کاهش نویز بیشتر در حدود 60 هرتز بهبود بخشید.

مرحله 1: تقویت کننده ابزار را ایجاد کنید

شما نیاز دارید: LTSpice (یا نرم افزار تجسم مدار دیگر)

تقویت کننده ابزار برای افزایش اندازه سیگنال ایجاد شده است بنابراین قابل مشاهده است و امکان تجزیه و تحلیل شکل موج را فراهم می کند.

با استفاده از R1 = 3.3k اهم ، R2 = 33k اهم ، R3 = 1k اهم ، R4 = 48 اهم ، افزایش X به دست می آید. سود = -R4/R3 (1+R2/R1) = -47k/1k (1- (33k/3.3k)) = -1008

از آنجا که در آمپر آمپر نهایی سیگنال به پین معکوس می رود ، سود 1008 است. این طرح در LTSpice ایجاد شد و سپس با یک جریان AC از 1 تا 1 کیلوهرتز با 100 امتیاز در هر دهه برای ورودی موج سینوسی با دامنه AC 1V شبیه سازی شد. به

ما بررسی کردیم که سود ما همان سود مورد نظر بود. از نمودار ما Gain = 10^(60/20) = 1000 را پیدا کردیم که به اندازه کافی به سود مورد نظر ما از 1008 نزدیک است.

مرحله 2: فیلتر Notch را ایجاد کنید

شما نیاز دارید: LTSpice (یا نرم افزار تجسم مدار دیگر)

فیلتر ناچ یک نوع خاص از فیلترهای کم گذر است که پس از آن یک فیلتر با گذر بالا برای حذف یک فرکانس خاص استفاده می شود. یک فیلتر ناچ برای حذف نویز تولید شده توسط تمام دستگاه های الکترونیکی که در 60Hz وجود دارد استفاده می شود.

مقادیر غیرفعال محاسبه شد: C =.1 uF (مقدار انتخاب شد) 2C =.2 uF (استفاده از خازن.22 uF)

از ضریب AQ 8 استفاده خواهد شد: R1 = 1/(2*Q*2*pi*f*C) = 1/(2*8*2*3.14159*60*.1E-6) = 1.66 کیلو اهم (1.8 کیلو اهم استفاده شد) R2 = 2Q/(2*pi*f*C) = (2*8)/(60 هرتز*2*3.14159*.1E-6 F) = 424 کیلو اهم (390 کیلو اهم + 33 کیلو اهم = 423 کیلو اهم بود مورد استفاده) تقسیم ولتاژ: Rf = R1 * R2 / (R1 + R2) = 1.8 کیلو اهم * 423 کیلو اهم / (1.8 کیلو اهم + 423 کیلو اهم) = 1.79 کیلو اهم (1.8 کیلو اهم استفاده شد)

این طرح فیلتر دارای افزایش 1 است ، به این معنی که هیچ ویژگی تقویت کننده ای وجود ندارد.

اتصال مقادیر غیرفعال و شبیه سازی در LTSpice با AC Sweep و سیگنال ورودی موج سینوسی 0.1 ولت با فرکانس AC 1 کیلوهرتز در نمودار bode متصل می شود.

در فرکانس حدود 60 هرتز ، سیگنال به کمترین ولتاژ خود می رسد. این فیلتر در حذف نویز 60 هرتز به ولتاژ غیر قابل توجه 0.01 ولت و افزایش 1 موفق عمل می کند ، زیرا ولتاژ ورودی 1 ولت است.

مرحله 3: فیلتر Low Pass را ایجاد کنید

شما نیاز دارید: LTSpice (یا نرم افزار تجسم مدار دیگر)

یک فیلتر کم گذر برای حذف سیگنالهای بالای آستانه مورد نظر که حاوی سیگنال ECG است ایجاد شد. آستانه مورد علاقه بین 0 تا 350 هرتز بود.

مقدار خازن 0.1 uF انتخاب شد. مقاومت مورد نیاز برای فرکانس قطع بالا 335 هرتز محاسبه می شود: C = 0.1 uF R = 1/(2pi*0.1*(10^-6)*335 Hz) = 4.75 کیلو اهم (4.7 کیلو اهم استفاده شد)

وصل کردن مقادیر غیرفعال و شبیه سازی در LTSpice با AC Sweep و سیگنال ورودی موج سینوسی 0.1 ولت با فرکانس AC 1 کیلوهرتز منجر به نمودار bode متصل می شود.

مرحله 4: ایجاد Circuit on a Breadboard

شما نیاز دارید: مقاومت هایی با مقادیر مختلف ، خازن هایی با مقادیر مختلف ، تقویت کننده های عملیاتی UA 471 ، کابل های بلوز ، تخته نان ، کابل های اتصال ، منبع تغذیه یا باتری 9 ولت

اکنون که مدار خود را شبیه سازی کرده اید ، وقت آن است که آن را روی یک تخته نان بسازید. اگر مقادیر دقیق ذکر شده را ندارید ، از آنچه دارید استفاده کنید یا مقاومتها و خازنها را برای ایجاد مقادیر مورد نیاز خود ترکیب کنید. به یاد داشته باشید که تخته نان خود را با استفاده از باتری 9 ولت یا منبع تغذیه DC تغذیه کنید. هر آمپر نیاز به منبع ولتاژ مثبت و منفی دارد.

مرحله 5: راه اندازی LabView Environment

شما به: نرم افزار LabView ، رایانه نیاز دارید

به منظور خودکار نمایش شکل موج و محاسبه ضربان قلب ، از LabView استفاده شد. LabView برنامه ای است که برای تجسم و تجزیه و تحلیل داده ها استفاده می شود. خروجی مدار ECG ورودی LabView است. داده ها بر اساس نمودار بلوکی که در زیر طراحی شده است وارد ، تجزیه و تحلیل و تحلیل می شوند.

ابتدا ، DAQ Assistant سیگنال آنالوگ را از مدار دریافت می کند. دستورالعمل نمونه گیری در اینجا تنظیم شده است. میزان نمونه گیری 1k نمونه در ثانیه و فاصله 3k ms بود ، بنابراین فاصله زمانی مشاهده شده در نمودار شکل موج 3 ثانیه است. نمودار موج داده ها را از دستیار DAQ دریافت کرده و سپس آنها را در پنجره جلوی صفحه ترسیم می کند. قسمت پایین نمودار بلوک شامل محاسبه ضربان قلب است. ابتدا حداکثر و حداقل موج اندازه گیری می شود. سپس ، از این اندازه گیری های دامنه برای تعیین اینکه آیا قله هایی در حال وقوع هستند که 95 of حداکثر دامنه تعریف شده اند استفاده می شود یا خیر ، و اگر چنین است نقطه زمانی ثبت می شود. پس از تشخیص قله ها ، دامنه و نقطه زمانی در آرایه ها ذخیره می شوند. سپس تعداد قله ها/ ثانیه ها به دقیقه تبدیل می شود و در صفحه جلویی نمایش داده می شود. صفحه جلویی شکل موج و تعداد ضربان در دقیقه را نشان می دهد.

همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است مدار از طریق ADC National Instruments به LabVIEW متصل شد. ژنراتور تابع تولید شده سیگنال ECG شبیه سازی شده را به ADC وارد می کند که داده ها را برای نمودار و تجزیه و تحلیل به LabView منتقل می کند. علاوه بر این ، هنگامی که BPM در LabVIEW محاسبه شد ، از شاخص عددی برای چاپ این مقدار در صفحه جلویی برنامه در کنار نمودار شکل موج استفاده شد ، همانطور که در شکل 2 مشاهده می شود.

مرحله 6: آزمایش مدار با استفاده از ژنراتور عملکرد

شما نیاز دارید: مدار روی نان برد ، کابل های اتصال ، منبع تغذیه یا باتری 9 ولت ، National Instruments ADC ، نرم افزار LabView ، رایانه

برای آزمایش ابزار LabView ، ECG شبیه سازی شده به مدار وارد شد و خروجی مدار از طریق National Instruments ADC به LabView متصل شد. ابتدا یک سیگنال 20mVpp با فرکانس 1 هرتز برای شبیه سازی ضربان قلب در حالت استراحت به مدار وارد شد. پانل جلویی LabView در تصویر زیر نشان داده شده است. موج P ، T ، U و QRS همه قابل مشاهده هستند. BMP به درستی محاسبه و در نشانگر عددی نمایش داده می شود. حدود 8 V/0.02 V = 400 از طریق مدار افزایش می یابد که مشابه چیزی است که ما هنگام اتصال مدار به اسیلوسکوپ مشاهده کردیم. تصویری از نتیجه در LabView پیوست شده است. در مرحله بعد ، برای شبیه سازی ضربان قلب افزایش یافته به عنوان مثال در حین تمرین ، سیگنال 20mVpp با فرکانس 2 هرتز به مدار وارد شد. در مقایسه با آزمایش در ضربان قلب در حالت استراحت ، افزایش قابل توجهی وجود داشت. در زیر شکل موج مشاهده می شود که تمام قسمتهای قبلی با سرعت بیشتری وجود دارد. ضربان قلب در نشانگر عددی محاسبه و نمایش داده می شود و ما 120 BPM مورد انتظار را مشاهده می کنیم.

مرحله 7: آزمایش مدار با استفاده از موضوع انسانی

شما نیاز دارید: مدار روی نان برد ، کابلهای اتصال ، منبع تغذیه یا باتری 9 ولت ، National Instruments ADC ، نرم افزار LabView ، رایانه ، الکترودها (حداقل سه مورد) ، یک سوژه انسانی

سرانجام ، مدار با یک سوژه انسانی آزمایش می شود که ECG منجر به ورود به مدار و خروجی مدار به LabView می شود. سه الکترود روی یک سوژه قرار داده شد تا یک سیگنال واقعی دریافت کند. الکترودها بر روی مچ دست و مچ پای راست قرار داده شد. مچ دست راست ورودی مثبت ، مچ دست چپ منفی و مچ پا زمین خورده بود. دوباره داده ها برای پردازش وارد LabView می شوند. پیکربندی الکترود به صورت تصویر پیوست شده است.

ابتدا سیگنال ECG در حال استراحت فرد نمایش داده شد و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. در حالت استراحت ، ضربان قلب این فرد تقریباً 75 ضربه در دقیقه بود. سپس فرد به مدت 5 دقیقه در فعالیت بدنی شدید شرکت کرد. سوژه مجدداً وصل شد و سیگنال بلند شده ضبط شد. ضربان قلب پس از فعالیت تقریباً 137 ضربه در دقیقه بود. این سیگنال کوچکتر بود و نویز بیشتری داشت. الکترودها بر روی مچ دست و مچ پای راست قرار داده شد. مچ دست راست ورودی مثبت ، مچ دست چپ منفی و مچ پا زمین خورده بود. دوباره داده ها برای پردازش وارد LabView شدند.

یک فرد معمولی دارای سیگنال ECG حدود 1mV است. سود مورد انتظار ما حدود 1000 بود ، بنابراین ما انتظار ولتاژ خروجی 1V را داریم. از ضبط در حالت استراحت که در تصویر XX مشاهده می شود ، دامنه مجتمع QRS تقریبا (-0.7)-(-1.6) = 0.9 ولت است که این باعث خطای 10٪ می شود. (1-0.9)/1*100 = 10٪ ضربان قلب در حالت استراحت یک انسان معمولی 60 است ، اندازه گیری شده حدود 75 بود ، این باعث | 60-75 |*100/60 = 25٪ خطا می شود. افزایش ضربان قلب یک فرد معمولی 120 است ، اندازه گیری شده حدود 137 بود ، این خطای | 120-137 |*100/120 = 15٪ خطا ایجاد می کند.

تبریک می گویم! شما اکنون ECG خودکار خود را ساخته اید.