ECG دیجیتال و مانیتور ضربان قلب: 8 مرحله

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

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 نوار قلب واقعی استفاده می کنید ، لطفاً اطمینان حاصل کنید که مدار و اتصالات مدار به دستگاه از قدرت باتری و سایر تکنیک های جداسازی مناسب استفاده می کنند

الکتروکاردیوگرام (ECG) سیگنال های الکتریکی را در طول چرخه قلب ثبت می کند. هر بار که قلب می تپد ، یک چرخه دپلاریزاسیون و بیش از حد قطبی شدن سلول های میوکارد وجود دارد. قطبی شدن و افزایش قطبی شدن را می توان با الکترود ثبت کرد و پزشکان این اطلاعات را برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد نحوه عملکرد قلب مطالعه کردند. نوار قلب می تواند سکته قلبی ، فیبریلاسیون دهلیزی یا بطنی ، تاکی کاردی و برادی کاردی را تعیین کند [1]. پس از تعیین مشکل از نوار قلب ، پزشکان می توانند بیمار را با موفقیت تشخیص داده و درمان کنند. مراحل زیر را دنبال کنید تا نحوه ساخت دستگاه ضبط الکتروکاردیوگرام خود را یاد بگیرید!

مرحله 1: مواد

اجزای مدار:

• پنج تقویت کننده عملیاتی UA741
• مقاومت ها
• خازن ها
• سیم های بلوز
• برد DAQ
• نرم افزار LabVIEW

تجهیزات آزمایش:

• مولد عملکرد
• منبع تغذیه نامتناوب
• اسیلوسکوپ
• کابل های BNC و T-Splitter
• کابل های بلوز
• گیره تمساح
• شاخه های موز

مرحله 2: تقویت کننده ابزار دقیق

اولین مرحله مدار تقویت کننده ابزار دقیق است. این امر سیگنال بیولوژیکی را تقویت می کند تا اجزای مختلف ECG قابل تشخیص باشند.

نمودار مدار تقویت کننده ابزار در بالا نشان داده شده است. اولین مرحله افزایش این مدار به صورت K1 = 1 + 2*R2 / R1 تعریف شده است. مرحله دوم افزایش مدار به صورت K2 = R4 / R3 تعریف شده است. سود کلی تقویت کننده ابزار K1 * K2 است. سود مورد نظر برای این پروژه تقریبا 1000 بود ، بنابراین K1 31 و K2 33 انتخاب شد. مقادیر مقاومت برای این دستاوردها در نمودار مدار بالا نشان داده شده است. می توانید از مقادیر مقاومت نشان داده شده در بالا استفاده کنید ، یا می توانید مقادیر را برای دستیابی به سود مورد نظر خود تغییر دهید. **

هنگامی که مقادیر اجزای خود را انتخاب کردید ، می توانید مدار را روی تخته نان بسازید. برای ساده سازی اتصالات مدار روی نان ، ریل افقی منفی در بالا به عنوان زمین تنظیم شد در حالی که دو ریل افقی در پایین به ترتیب +/- 15V تنظیم شد.

اولین آمپر اپ در سمت چپ تخته نان قرار داده شد تا فضا برای همه اجزای باقی مانده باقی بماند. پیوست ها به ترتیب زمانی پین ها اضافه شدند. این امر باعث می شود راحت تر بتوانید قطعاتی را که اضافه شده یا نه اضافه کنید. هنگامی که تمام پین ها برای آمپر آمپر 1 کامل شد ، می توان آمپر بعدی را قرار داد. مجدداً مطمئن شوید که نسبتاً نزدیک است تا فضا را ترک کنید. همان فرآیند پین زمانی برای تمام آمپرهای آمپر تا تکمیل تقویت کننده ابزار دقیق انجام شد.

سپس خازن های بای پس علاوه بر نمودار مدار به منظور خلاص شدن از اتصال AC در سیم ها اضافه شدند. این خازنها به موازات منبع ولتاژ DC قرار داده شده و روی ریل منفی افقی فوقانی قرار گرفته اند. این خازن ها باید در محدوده 0.1 تا 1 میکرو فاراد باشند. هر آمپر op دارای دو خازن بای پس است ، یکی برای پین 4 و دیگری برای پین 7. دو خازن در هر آمپر باید دارای ارزش یکسانی باشد ، اما می تواند از آمپر تا اپ آمپر متفاوت باشد.

به منظور آزمایش تقویت کننده ، ژنراتور عملکرد و اسیلوسکوپ ورودی و خروجی تقویت کننده را به ترتیب متصل کردند. سیگنال ورودی نیز به اسیلوسکوپ متصل بود. یک موج سینوسی ساده برای تعیین تقویت استفاده شد. خروجی ژنراتور عملکرد را به دو پایانه ورودی تقویت کننده ابزار وارد کنید. اسیلوسکوپ را برای اندازه گیری نسبت سیگنال خروجی به سیگنال ورودی تنظیم کنید. افزایش مدار بر دسیبل Gain = 20 * log10 (Vout / Vin) است. برای افزایش 1000 ، افزایش بر دسیبل 60 دسی بل است. با استفاده از اسیلوسکوپ ، می توانید تعیین کنید که آیا افزایش مدار ساخته شده شما با مشخصات شما مطابقت دارد یا اینکه برای بهبود مدار خود نیاز به تغییر مقادیر مقاومت دارید.

هنگامی که تقویت کننده ابزار دقیق مونتاژ و کار می کند ، می توانید به فیلتر ناچ بروید.

** در نمودار مدار بالا ، R2 = R21 = R22 ، R3 = R31 = R32 ، R4 = R41 = R42

مرحله 3: فیلتر ناچ

هدف فیلتر ناچ حذف نویز از منبع تغذیه دیوار 60 هرتز است. یک فیلتر ناچ سیگنال را در فرکانس قطع تضعیف می کند و فرکانس ها را از بالا و پایین آن عبور می دهد. برای این مدار ، فرکانس قطع مورد نظر 60 هرتز است.

معادلات حاکم برای نمودار مدار نشان داده شده در بالا عبارتند از R1 = 1 / (2 * Q * w * C) ، R2 = 2 * Q / (w * C) ، و R3 = R1 * R2 / (R1 + R2) ، جایی که Q ضریب کیفیت و w 2 * pi * (فرکانس قطع) است. ضریب کیفیت 8 مقادیر مقاومت و خازن را در محدوده معقولی ارائه می دهد. می توان مقادیر خازن را یکسان فرض کرد. بنابراین ، می توانید یک مقدار خازن موجود در کیت های خود را انتخاب کنید. مقادیر مقاومت نشان داده شده در مدار بالا برای فرکانس قطع 60 هرتز ، ضریب کیفیت 8 و مقدار خازن 0.22 uF است.

از آنجا که خازنها به طور موازی اضافه می شوند ، دو خازن با مقدار C انتخاب شده به موازات یکدیگر قرار می گیرند تا به مقدار 2C برسند. همچنین ، خازن های بای پس به آمپر op اضافه شد.

برای آزمایش فیلتر ناچ ، خروجی تولید کننده عملکرد را به ورودی فیلتر ناچ متصل کنید. ورودی و خروجی مدار را در یک اسیلوسکوپ مشاهده کنید. برای داشتن یک فیلتر ناچ م effectiveثر ، باید در فرکانس قطع ، سود کمتر یا مساوی -20dB داشته باشید. از آنجا که اجزاء ایده آل نیستند ، دستیابی به این امر دشوار است. مقادیر مقاومت و خازن محاسبه شده ممکن است سود مطلوب را به شما ندهد. برای این کار باید مقادیر مقاومت و خازن را تغییر دهید.

برای انجام این کار ، به طور همزمان روی یک جزء تمرکز کنید. افزایش و کاهش ارزش یک جزء بدون تغییر هیچ جزء دیگر. به اثرات این امر در افزایش مدار توجه کنید. این ممکن است صبر و حوصله زیادی را برای دستیابی به سود مورد نظر نیاز داشته باشد. به یاد داشته باشید ، برای افزایش یا کاهش مقادیر مقاومت ، می توانید مقاومت ها را به صورت سری اضافه کنید. تغییری که بیشترین افزایش را در ما داشت ، افزایش یکی از خازن ها به 0.33 uF بود.

مرحله 4: فیلتر Low Pass

فیلتر کم گذر نویز فرکانس بالاتر را که ممکن است با سیگنال ECG تداخل داشته باشد حذف می کند. یک قطع کوتاه از 40 هرتز برای گرفتن اطلاعات شکل موج نوار قلب کافی است. با این حال ، برخی از اجزای ECG از 40 هرتز فراتر می رود. یک قطع 100 هرتز یا 150 هرتز نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد [2].

فیلتر کم گذر ساخته شده فیلتر درجه دوم باترورث است. از آنجایی که افزایش مدار ما توسط تقویت کننده ابزار تعیین می شود ، ما برای فیلتر کم گذر 1 در محدوده باند می خواهیم. برای افزایش 1 ، RA کوتاه اتصال می یابد و RB در نمودار مدار بالا [3] باز می شود. در مدار ، C1 = 10 / (fc) uF ، که در آن fc فرکانس قطع است. C1 باید کمتر یا مساوی C2 * a^2 / (4 * b) باشد. برای فیلتر درجه دوم باترورث ، a = sqrt (2) و b = 1. با وارد کردن مقادیر a و b ، معادله C2 به کمتر یا مساوی C1 / 2 ساده می شود. سپس R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a^2 * C2^2 - 4 * b * C1 * C2))] و R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2) ، که در آن w = 2 * pi * fc محاسبات این مدار به منظور ارائه قطع 40 هرتز تکمیل شد. مقادیر مقاومت و خازن که با این مشخصات مطابقت دارند در نمودار مدار بالا نشان داده شده است.

تقویت کننده عمل در سمت راست صفحه نانبرد قرار داده شد زیرا هیچ قطعه دیگری بعد از آن اضافه نمی شود. به منظور تکمیل مدار ، مقاومت و خازن ها به آمپر op اضافه شدند. خازن های بای پس به آمپر آمپر اضافه شد. پایانه ورودی خالی است زیرا ورودی از سیگنال خروجی فیلتر ناچ می آید. با این حال ، برای آزمایش ، یک سیم در پین ورودی قرار داده شد تا بتواند فیلتر پایین گذر را جدا کرده و به صورت جداگانه آزمایش کند.

یک موج سینوسی از مولد تابع به عنوان سیگنال ورودی استفاده شد و در فرکانس های مختلف مشاهده شد. سیگنال های ورودی و خروجی را در یک اسیلوسکوپ مشاهده کرده و میزان افزایش مدار را در فرکانس های مختلف تعیین کنید. برای یک فیلتر کم گذر ، افزایش در فرکانس قطع باید -3db باشد. برای این مدار ، قطع باید در 40 هرتز رخ دهد. فرکانسهای زیر 40 هرتز باید در شکل موج خود تضعیف کمی داشته باشند ، اما با افزایش فرکانس بالای 40 هرتز ، افزایش باید همچنان ادامه یابد.

مرحله 5: مونتاژ مراحل مدار

هنگامی که هر مرحله از مدار را ساختید و آنها را به طور مستقل آزمایش کردید ، می توانید همه آنها را وصل کنید. خروجی تقویت کننده ابزار دقیق باید به ورودی فیلتر ناچ متصل شود. خروجی فیلتر ناچ باید به ورودی فیلتر کم گذر متصل شود.

برای آزمایش مدار ، ورودی ژنراتور عملکرد را به ورودی مرحله تقویت کننده ابزار دقیق وصل کنید. ورودی و خروجی مدار را در یک اسیلوسکوپ مشاهده کنید. می توانید با یک موج ECG از قبل برنامه ریزی شده از مولد عملکرد یا با یک موج سینوسی آزمایش کنید و اثرات مدار خود را مشاهده کنید. در تصویر اسیلوسکوپ فوق ، منحنی زرد شکل موج ورودی و منحنی سبز خروجی است.

هنگامی که تمام مراحل مدار خود را متصل کردید و نشان دادید که به درستی کار می کند ، می توانید خروجی مدار خود را به برد DAQ متصل کرده و برنامه نویسی را در LabVIEW آغاز کنید.

مرحله 6: برنامه LabVIEW

کد LabVIEW برای تشخیص ضربان در متر از یک موج ECG شبیه سازی شده در فرکانس های مختلف است. برای برنامه نویسی در LabVIEW ابتدا باید همه اجزا را شناسایی کنید. مبدل آنالوگ به دیجیتال ، که به عنوان برد جمع آوری داده (DAQ) نیز شناخته می شود ، باید تنظیم و تنظیم شود تا به طور مداوم اجرا شود. سیگنال خروجی از مدار به ورودی برد DAQ متصل می شود. نمودار شکل موج در برنامه LabVIEW مستقیماً به خروجی دستیار DAQ متصل می شود. خروجی از داده های DAQ نیز به شناسه max/min می رسد. سپس سیگنال از طریق عملگر حسابی ضرب عبور می کند. برای محاسبه مقدار آستانه از شاخص عددی 0.8 استفاده می شود. هنگامی که سیگنال بیش از 0.8*حداکثر باشد ، پیک تشخیص داده می شود. هر زمان که این مقدار مشخص شد در آرایه فهرست ذخیره می شود. دو نقطه داده در آرایه فهرست ذخیره می شوند و در عملگر حسابی تفریق وارد می شوند. تغییر زمان بین این دو مقدار پیدا شد. سپس ، برای محاسبه ضربان قلب ، 60 بر اختلاف زمان تقسیم می شود. یک نشانگر عددی که در کنار نمودار خروجی نشان داده می شود ، ضربان قلب را بر حسب ضربان در دقیقه (bpm) سیگنال ورودی خروجی می دهد. هنگامی که برنامه راه اندازی شد ، باید همه آن را در داخل حلقه مداوم قرار دهید. فرکانس های مختلف مقادیر bpm متفاوتی می دهند.

مرحله 7: جمع آوری داده های ECG

اکنون می توانید یک سیگنال ECG شبیه سازی شده را وارد مدار کرده و داده ها را در برنامه LabVIEW خود ثبت کنید! فرکانس و دامنه ECG شبیه سازی شده را تغییر دهید تا ببینید چگونه بر داده های ثبت شده شما تأثیر می گذارد. با تغییر فرکانس ، باید تغییری در ضربان قلب محاسبه شده مشاهده کنید. شما با موفقیت ECG و مانیتور ضربان قلب را طراحی کرده اید!

مرحله 8: پیشرفت های بیشتر

دستگاه ساخته شده برای بدست آوردن سیگنالهای ECG شبیه سازی شده به خوبی کار خواهد کرد. با این حال ، اگر می خواهید سیگنال های بیولوژیکی را ضبط کنید (حتماً نکات ایمنی مناسب را رعایت کنید) ، برای بهبود خواندن سیگنال ، باید تغییرات بیشتری در مدارها اعمال شود. یک فیلتر با گذر بالا باید اضافه شود تا آثار مصنوعی DC offset و فرکانس پایین را حذف کند. سود تقویت کننده ابزار دقیق نیز باید ده برابر کاهش یابد تا در محدوده قابل استفاده برای LabVIEW و amper amps باقی بماند.

منابع

[1] S. Meek و F. Morris ، «مقدمه. II-اصطلاحات اساسی. "BMJ ، جلد. 324 ، شماره 7335 ، ص 470–3 ، فوریه 2002.

[2] Chia-Hung Lin ، ویژگی های حوزه فرکانس برای ECG با استفاده از طبقه بندی کننده مبتنی بر تجزیه و تحلیل رابطه ای خاکستری ، در کامپیوترها و ریاضیات با برنامه ها ، دوره 55 ، شماره 4 ، 2008 ، صفحات 680-690 ، ISSN 0898-1221 ،

[3] “فیلتر مرتبه دوم | درجه دوم طراحی فیلتر کم گذر. » آموزش الکترونیکی پایه ، 9 سپتامبر 2016 ، www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…