مدار ساده ECG و برنامه ضربان قلب LabVIEW: 6 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:57

الکتروکاردیوگرام ، یا بیشتر به عنوان ECG نامیده می شود ، یک سیستم تشخیص و نظارت بسیار قدرتمند است که در تمام اقدامات پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد. از نوار قلب برای مشاهده فعالیت الکتریکی قلب به صورت گرافیکی برای بررسی ناهنجاری های ضربان قلب یا سیگنالینگ الکتریکی استفاده می شود.

با اندازه گیری نوار قلب ، ضربان قلب بیماران را می توان با فاصله زمانی بین مجتمع های QRS تعیین کرد. علاوه بر این ، سایر شرایط پزشکی را می توان تشخیص داد مانند حمله قلبی در انتظار ارتفاع بخش ST. خواندن چنین مطالبی می تواند برای تشخیص و درمان صحیح بیمار بسیار مهم باشد. موج P انقباض دهلیز قلب را نشان می دهد ، منحنی QRS انقباض بطن و موج T نشان دهنده دو قطبی شدن قلب است. دانستن حتی اطلاعات ساده ای مانند این می تواند به سرعت بیماران را برای عملکرد غیرطبیعی قلب تشخیص دهد.

ECG استاندارد مورد استفاده در عمل پزشکی دارای هفت الکترود است که به صورت نیم دایره خفیف در ناحیه تحتانی قلب قرار گرفته اند. این قرار دادن الکترودها باعث ایجاد حداقل نویز هنگام ضبط و همچنین اندازه گیری های سازگارتر می شود. به منظور ایجاد مدار نوار قلب ، ما فقط از سه الکترود استفاده می کنیم. الکترود ورودی مثبت روی مچ دست راست داخلی ، الکترود ورودی منفی روی مچ دست چپ داخلی قرار می گیرد و الکترود زمین به مچ پا متصل می شود. این باعث می شود که قرائت ها با دقت نسبی در قلب انجام شود. با قرار دادن الکترودهای متصل به تقویت کننده ابزار ، فیلتر کم گذر و فیلتر ناچ ، شکل موج ECG باید به راحتی به عنوان سیگنال خروجی از مدار ایجاد شده قابل تشخیص باشد.

توجه: این دستگاه پزشکی نیست. این فقط برای اهداف آموزشی با استفاده از سیگنال های شبیه سازی شده است. اگر از این مدار برای اندازه گیری ECG واقعی استفاده می کنید ، لطفاً اطمینان حاصل کنید که مدار و اتصالات مدار به ابزار از تکنیک های جداسازی مناسب استفاده می کنند

مرحله 1: تقویت کننده ابزار را بسازید

برای ساخت یک ابزار چند مرحله ای با افزایش 1000 یا 60 دسی بل ، باید معادله زیر را اعمال کرد.

سود = (1+2*R1/بدست آوردن)

R1 برابر با تمام مقاومتهایی است که در تقویت کننده ابزار اندازه گیری می شوند ، به غیر از مقاومت گیرنده ، که به نوعی باعث می شود تمام افزایش در مرحله اول تقویت کننده دخیل باشد. این مقدار 50.3 کیلو وات انتخاب شد. برای محاسبه مقاومت بهره ، این مقدار به معادله فوق وصل می شود.

1000 = (1+2*50300/بدست آوردن مجدد)

بدست آوردن = 100.7

پس از محاسبه این مقدار ، تقویت کننده ابزار را می توان به صورت مدار زیر در این مرحله نشان داد. همانطور که در نمودار نشان داده شده است ، OP/AMP ها باید با 15 ولت مثبت و منفی تغذیه شوند. خازن های بای پس برای هر OP/AMP باید در نزدیکی OP/AMP با منبع تغذیه قرار گیرند تا سیگنال AC که از منبع تغذیه به زمین می آید را تضعیف کند تا از سرخ شدن OP/AMP و هرگونه سر و صدای اضافی که ممکن است کمک کند جلوگیری کند. به سیگنال همچنین ، برای آزمایش افزایش واقعی مدارها ، باید به گره الکترود مثبت یک موج سینوسی ورودی داده شود و گره الکترود منفی به زمین متصل شود. این امر باعث می شود که افزایش مدار با سیگنال ورودی کمتر از 15 mV پیک تا اوج به طور دقیق مشاهده شود.

مرحله 2: فیلتر درجه دوم Low Pass را بسازید

برای حذف نویز بالاتر از فرکانس مورد نظر برای سیگنال نوار قلب که 150 هرتز بود ، از فیلتر درجه 2 کم گذر استفاده شد.

مقدار K که در محاسبات فیلتر کم گذر درجه 2 استفاده می شود ، افزایش است. از آنجا که ما در فیلتر خود هیچ گونه افزایشی نمی خواهیم ، مقدار افزایش 1 را انتخاب کردیم که به این معنی است که ولتاژ ورودی برابر ولتاژ خروجی خواهد بود.

K = 1

برای فیلتر درجه دو باترورث که برای این مدار استفاده می شود ، ضرایب a و b در زیر تعریف شده است. a = 1.414214 b = 1

اول ، مقدار خازن دوم به عنوان یک خازن نسبتاً بزرگ انتخاب می شود که به راحتی در آزمایشگاه و دنیای واقعی موجود است.

C2 = 0.1 فارنهایت

برای محاسبه خازن اول ، از روابط زیر بین آن و خازن دوم استفاده می شود. ضرایب K ، a و b برای محاسبه این مقدار باید به معادله متصل شوند.

C1 <= C2*[a^2+4b (K-1)]/4b

C1 <= (0.1*10^-6 [1.414214^2+4*1 (1-1)]/4*1

C1 <= 50 nF

از آنجا که اولین خازن کمتر یا برابر با 50 nF محاسبه می شود ، مقدار خازن زیر انتخاب شد.

C1 = 33 nF

برای محاسبه اولین مقاومت مورد نیاز برای این فیلتر درجه دوم کم گذر با فرکانس قطع 150 هرتز ، معادله زیر با استفاده از مقادیر محاسبه شده خازن و ضرایب K ، a و b حل شد. R1 = 2/[(فرکانس قطع)*[aC2*sqrt ([(a^2+4b (K-1)) C2^2-4bC1C2])]

R1 = 9478 اهم

برای محاسبه مقاومت دوم ، از رابطه زیر استفاده شده است. فرکانس قطع مجدد 150 هرتز و ضریب b 1 است.

R2 = 1/[bC1C2R1 (فرکانس قطع)^2]

R2 = 35.99 کیلو اهم پس از محاسبه مقادیر فوق برای مقاومتها و خازنهای مورد نیاز برای فیلتر درجه دو ، مدار زیر ایجاد شد تا فیلتر کم گذر فعال مورد استفاده قرار گیرد. همانطور که در نمودار نشان داده شده است ، OP/AMP دارای ولتاژ مثبت 15 ولت منفی است. خازن های بای پس به منابع تغذیه متصل می شوند به طوری که هرگونه سیگنال AC که از منبع خارج می شود به زمین هدایت می شود تا اطمینان حاصل شود که OP/AMP توسط این سیگنال سرخ نمی شود. برای آزمایش این مرحله از مدار نوار قلب ، گره سیگنال ورودی باید به موج سینوسی متصل شود و یک رفت و برگشت AC از 1 هرتز تا 200 هرتز باید انجام شود تا نحوه عملکرد فیلتر مشاهده شود.

مرحله 3: فیلتر Notch را بسازید

فیلتر ناچ بخش بسیار مهمی از بسیاری از مدارها برای اندازه گیری سیگنال های فرکانس پایین است. در فرکانسهای پایین ، نویز AC 60 هرتز بسیار رایج است زیرا فرکانس جریان AC است که از ساختمانهای ایالات متحده عبور می کند. این نویز 60 هرتز در وسط باند عبور برای نوار قلب ناراحت کننده است ، اما یک فیلتر ناچ می تواند فرکانس های خاصی را حذف کند در حالی که بقیه سیگنال را حفظ می کند. هنگام طراحی این فیلتر ناچ ، داشتن یک فاکتور با کیفیت بالا ، Q ، بسیار مهم است تا اطمینان حاصل شود که دور برش در نقطه مورد نظر تیز است. در زیر جزئیات محاسبات مورد استفاده برای ساخت فیلتر بریدگی فعال که در مدار نوار قلب مورد استفاده قرار می گیرد ، شرح داده شده است.

ابتدا فرکانس مورد نظر ، 60 هرتز باید از هرتز به rad/s تبدیل شود.

فرکانس = 2*pi*فرکانس

فرکانس = 376.99 راد/ثانیه

در مرحله بعد ، پهنای باند فرکانس های قطع شده باید محاسبه شود. این مقادیر به گونه ای تعیین می شود که تضمین می کند فرکانس اصلی مورد علاقه ، 60 هرتز ، به طور کامل قطع شده و تنها چند فرکانس اطراف کمی تحت تاثیر قرار می گیرد.

پهنای باند = Cutoff2-Cutoff1

پهنای باند = 37.699 ضریب کیفیت باید بعداً تعیین شود. فاکتور کیفیت تعیین می کند که شکاف چقدر تیز است و برش چقدر باریک آغاز می شود. این با استفاده از پهنای باند و فرکانس مورد نظر محاسبه می شود. Q = فرکانس/عرض باند

Q = 10

مقدار خازن موجود برای این فیلتر انتخاب می شود. خازن نیازی به بزرگ بودن ندارد و قطعاً نباید خیلی کوچک باشد.

C = 100 nF

برای محاسبه اولین مقاومت مورد استفاده در این فیلتر شکاف فعال ، رابطه زیر شامل ضریب کیفیت ، فرکانس مورد علاقه و خازن انتخاب شده استفاده شد.

R1 = 1/[فرکانس 2QC*]

R1 = 1326.29 اهم

دومین مقاومت مورد استفاده در این فیلتر با استفاده از رابطه زیر محاسبه می شود.

R2 = 2Q/[فرکانس*C]

R2 = 530516 اهم

مقاومت نهایی برای این فیلتر با استفاده از دو مقدار مقاومت قبلی محاسبه می شود. انتظار می رود که بسیار شبیه به اولین مقاومت محاسبه شده باشد.

R3 = R1*R2/[R1+R2]

R3 = 1323 اهم

پس از محاسبه همه مقادیر جزء با استفاده از معادلات شرح داده شده در بالا ، فیلتر شکاف زیر باید ساخته شود تا نویز AC 60 هرتز را دقیقاً فیلتر کند که سیگنال ECG را مختل می کند. مطابق شکل زیر ، OP/AMP باید با ولتاژ مثبت و منفی 15 ولت تغذیه شود. خازن های بای پس از منبع تغذیه OP/AMP متصل می شوند تا هرگونه سیگنال AC که از منبع تغذیه می آید به زمین منتقل شود تا اطمینان حاصل شود که OP/AMP سرخ نمی شود. برای آزمایش این قسمت از مدار ، سیگنال ورودی باید به یک موج سینوسی متصل شود و یک جاروب AC باید از 40 هرتز تا 80 هرتز انجام شود تا فیلتر سیگنال 60 هرتز مشاهده شود.

مرحله 4: یک برنامه LabVIEW برای محاسبه ضربان قلب ایجاد کنید

LabVIEW یک ابزار مفید برای اجرای ابزارها و همچنین جمع آوری داده ها است. برای جمع آوری داده های ECG ، از برد DAQ استفاده می شود که ولتاژهای ورودی را با سرعت نمونه برداری 1 کیلوهرتز می خواند. سپس این ولتاژهای ورودی به نمودار منتقل می شوند که برای نمایش ضبط نوار قلب استفاده می شود. داده های جمع آوری شده سپس از طریق یاب حداکثر که حداکثر مقادیر خوانده شده را خروجی می دهد ، عبور می کند. این مقادیر اجازه می دهد تا حداکثر آستانه در 98 درصد از حداکثر خروجی محاسبه شود. پس از آن ، از یک آشکارساز اوج برای تعیین زمان بیشتر بودن داده ها از آن آستانه استفاده می شود. از این داده ها به همراه زمان بین قله ها می توان برای تعیین ضربان قلب استفاده کرد. این محاسبه ساده به طور دقیق ضربان قلب را از ولتاژهای ورودی که توسط برد DAQ خوانده می شود تعیین می کند.

مرحله 5: آزمایش

پس از ساخت مدارهای خود ، آماده کار کردن آنها هستید! ابتدا ، هر مرحله باید با یک جریان متناوب AC از فرکانس های 0.05 تا 200 هرتز آزمایش شود. ولتاژ ورودی نباید بیش از 15 mV پیک تا اوج باشد تا سیگنال توسط محدودیت های OP/AMP ریل نشود. در مرحله بعد ، همه مدارها را به هم وصل کرده و مجدداً یک رفت و برگشت کامل AC را اجرا کنید تا مطمئن شوید همه چیز به درستی کار می کند. بعد از اینکه از خروجی مدار کامل خود راضی شدید ، وقت آن است که خود را به آن متصل کنید. الکترود مثبت را روی مچ دست راست و الکترود منفی را روی مچ دست چپ قرار دهید. الکترود زمین را روی مچ پای خود قرار دهید. خروجی مدار کامل را به برد DAQ خود متصل کرده و برنامه LabVIEW را اجرا کنید. سیگنال نوار قلب شما اکنون باید روی نمودار شکل موج در رایانه قابل مشاهده باشد. در صورت عدم تحریف یا تغییر شکل ، سعی کنید با تغییر مقاومت افزایش ، میزان بهره مدار را به 10 کاهش دهید. این باید اجازه دهد تا سیگنال توسط برنامه LabVIEW خوانده شود.