طراحی مانیتور و مدار دیجیتال ECG: 5 مرحله

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

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

هدف این پروژه ایجاد مداری است که بتواند سیگنال نوار قلب را که به آن الکتروکاردیوگرام نیز می گویند تقویت و فیلتر کند. از ECG می توان برای تعیین ضربان قلب و ضربان قلب استفاده کرد ، زیرا می تواند سیگنال های الکتریکی را که در مراحل مختلف چرخه قلب از قسمت های مختلف قلب عبور می کند ، تشخیص دهد. در اینجا ما از تقویت کننده ابزار ، فیلتر ناچ و فیلتر کم گذر برای تقویت و فیلتر ECG استفاده می کنیم. سپس ، با استفاده از LabView ، ضربان در دقیقه محاسبه می شود و نمای گرافیکی ECG نمایش داده می شود. محصول نهایی را می توانید در بالا مشاهده کنید.

مرحله 1: تقویت کننده ابزار دقیق

سود لازم برای تقویت کننده ابزار 1000 V/V است. این امر باعث تقویت کافی سیگنال ورودی می شود که بسیار کوچکتر است. تقویت کننده ابزار به دو قسمت مرحله 1 و مرحله 2 تقسیم می شود. سود هر مرحله (K) باید مشابه باشد ، به طوری که در صورت ضرب در یکدیگر ، سود در حدود 1000 است. از معادلات زیر برای محاسبه سود استفاده می شود.

K1 = 1 + ((2*R2)/R1)

K2 = -R4/R3

از این معادلات ، مقادیر R1 ، R2 ، R3 و R4 پیدا شد. برای ساخت مدار مشاهده شده در تصاویر ، از سه تقویت کننده عملیاتی uA741 و مقاومت استفاده شد. آمپر آمپرها با ولتاژ 15 ولت از منبع تغذیه DC تغذیه می شوند. ورودی تقویت کننده ابزار به یک Function Generator و خروجی آن به یک اسیلوسکوپ متصل شد. سپس ، یک رفت و برگشت AC انجام شد و افزایش ابزار تقویت کننده پیدا شد ، همانطور که در نمودار "افزایش ابزار تقویت کننده" در بالا مشاهده می شود. سرانجام ، مدار در LabView بازسازی شد ، جایی که شبیه سازی افزایش انجام شد ، همانطور که در نمودار سیاه بالا مشاهده می شود. نتایج تأیید کرد که مدار به درستی کار می کند.

مرحله 2: فیلتر ناچ

فیلتر ناچ برای حذف نویز ایجاد شده در 60 هرتز استفاده می شود. مقادیر اجزا را می توان با استفاده از معادلات زیر محاسبه کرد. از ضریب کیفیت (Q) 8 استفاده شد. C با توجه به خازن های موجود انتخاب شد.

R1 = 1/(2*Q*ω*C)

R2 = 2*Q/(ω*C)

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

مقادیر مقاومت و خازن پیدا شد و مدار بالا ساخته شد ، مقادیر محاسبه شده در آنجا قابل مشاهده است. تقویت کننده عملیاتی توسط منبع تغذیه DC تغذیه می شد و ورودی آن به ژنراتور عملکرد و خروجی آن به اسیلوسکوپ متصل می شد. اجرای AC Sweep منجر به طرح "Notch Filter AC Sweep" در بالا شد و نشان داد که فرکانس 60 هرتز حذف شده است. برای تأیید این ، شبیه سازی LabView اجرا شد که نتایج را تأیید کرد.

مرحله 3: فیلتر Low Pass

از فیلتر درجه دوم باترورث با درجه فرکانس قطع 250 هرتز استفاده می شود. برای حل مقادیر مقاومت و خازن از معادلات زیر استفاده شده است. برای این معادلات ، فرکانس قطع در هرتز به rad/sec تغییر کرد که برابر 1570.8 بود. از سود K = 1 استفاده شد. مقادیر a و b به ترتیب 1.414214 و 1 ارائه شده است.

R1 = 2 / (wc (a C2 + sqrt (a^2 + 4 b (K - 1)) C2^2 - 4 b C1 C2))

R2 = 1/ (b C1 C2 R1 wc^2)

R3 = K (R1 + R2) / (K - 1)

R4 = K (R1 + R2)

C1 = (C2 (a^2 + 4 b (K-1)) / (4 b)

C2 = (10 / fc)

پس از محاسبه مقادیر ، مدار با مقادیر ساخته شد ، که در یکی از تصاویر بالا قابل مشاهده است. لازم به ذکر است که از افزایش 1 استفاده شد ، R3 با مدار باز و R4 با اتصال کوتاه جایگزین شد. هنگامی که مدار مونتاژ شد ، سپس آمپر op با برق 15 ولت از منبع تغذیه DC تغذیه می شد. مشابه سایر اجزاء ، ورودی و خروجی به ترتیب به Function Generator و Oscilloscope متصل شدند. توطئه ای از رفت و برگشت AC ایجاد شده است که در "رفت و برگشت فیلتر کم گذر AC" در بالا مشاهده شده است. طرح سیاه در شبیه سازی LabView مدار ، نتایج ما را تأیید می کند.

مرحله 4: LabVIEW

برنامه LabVIEW نشان داده شده در تصویر برای محاسبه ضربان در دقیقه و نمایش تصویر بصری از ECG ورودی استفاده می شود. دستیار DAQ سیگنال ورودی را بدست می آورد و پارامترهای نمونه گیری را تنظیم می کند. سپس نمودار شکل موج ورودی را که DAQ دریافت می کند در UI رسم می کند تا به کاربر نمایش داده شود. تجزیه و تحلیل های متعددی بر روی داده های ورودی انجام می شود. حداکثر مقادیر داده های ورودی با استفاده از شناسه Max/Min یافت می شود و پارامترهای تشخیص قله ها با استفاده از Peak Detection تنظیم می شوند. با استفاده از یک آرایه شاخص از مکان های قله ها ، زمان بین حداکثر مقادیر داده شده توسط جزء تغییر زمان و عملیات مختلف حسابی ، BPM محاسبه و به عنوان خروجی عددی نمایش داده می شود.

مرحله 5: مدار کامل شده

پس از اتصال همه اجزاء ، سیستم کامل با سیگنال ECG شبیه سازی شده آزمایش شد. سپس ، مدار برای فیلتر کردن و تقویت نوار قلب انسان با نتایج نمایش داده شده از طریق برنامه LabView فوق استفاده شد. الکترودها به مچ دست راست ، مچ دست چپ و مچ پای چپ متصل شده بودند. مچ دست چپ و مچ راست به ورودی های تقویت کننده ابزار وصل شده بود ، در حالی که مچ پای چپ به زمین متصل شده بود. سپس خروجی فیلتر کم گذر به دستیار DAQ متصل شد. با استفاده از همان بلوک دیاگرام LabView قبلی ، برنامه اجرا شد. با عبور نوار قلب از بدن ، یک سیگنال واضح و پایدار از خروجی سیستم کامل مشاهده شد که در تصویر بالا قابل مشاهده است.