ضبط سیگنالهای بیوالکتریک: ECG و مانیتور ضربان قلب: 7 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 ECG واقعی استفاده می کنید ، لطفاً اطمینان حاصل کنید که مدار و اتصالات مدار به ابزار از تکنیک های جداسازی مناسب استفاده می کنند.

الکتروکاردیوگرام (ECG) آزمایشی است که در آن الکترودهای سطحی به صورت مشخص روی یک سوژه قرار می گیرند تا فعالیت الکتریکی قلب فرد را تشخیص داده و اندازه گیری کنند [1]. نوار قلب کاربردهای زیادی دارد و می تواند در تشخیص بیماری های قلبی ، تست استرس و مشاهده در حین عمل جراحی کمک کند. ECG همچنین می تواند تغییرات ضربان قلب ، آریتمی ، حمله قلبی و بسیاری از تجربیات و بیماری های دیگر [1] را که در بیانیه مشکل بالا توضیح داده شده است ، تشخیص دهد. سیگنال قلبی اندازه گیری شده توسط نوار قلب سه شکل موج مجزا ایجاد می کند که تغذیه زنده قلب فعال را نشان می دهد. اینها در تصویر بالا نشان داده شده است.

هدف این پروژه ایجاد دستگاهی است که بتواند سیگنال نوار قلب را از ژنراتور خروجی یا انسان دریافت کرده و ضمن حذف نویز ، سیگنال را بازتولید کند. خروجی سیستم BPM را نیز محاسبه می کند.

بیایید شروع کنیم!

مرحله 1: همه مواد را جمع آوری کنید

به منظور ایجاد این نوار قلب ، ما سیستمی را ایجاد می کنیم که از دو قسمت اصلی ، مدار و سیستم LabVIEW تشکیل شده است. هدف مدار این است که مطمئن شویم سیگنال مورد نظرمان را دریافت می کنیم. سر و صدای زیادی وجود دارد که می تواند سیگنال نوار قلب ما را از بین ببرد ، بنابراین ما باید سیگنال خود را تقویت کرده و نویز را فیلتر کنیم. پس از فیلتر شدن و تقویت سیگنال از طریق مدار ، می توانیم سیگنال تصفیه شده را به یک برنامه LabVIEW ارسال کنیم که شکل موج و همچنین محاسبه BPM را نشان می دهد. مواد زیر برای این پروژه لازم است:

-مقاومت ، خازن و تقویت کننده عملیاتی (از آمپرهای آمپر -UA741 استفاده شد) قطعات الکتریکی

-تخته نان بدون لحیم برای ساخت و آزمایش

منبع تغذیه DC برای تأمین برق مورد نیاز amps

ژنراتور عملکرد برای ارائه سیگنال بیوالکتریک

-اسیلوسکوپ برای مشاهده سیگنال ورودی

-برد DAQ برای تبدیل سیگنال از آنالوگ به دیجیتال

نرم افزار LabView برای مشاهده سیگنال خروجی

-BNC و کابل های سربی متغیر انتهایی

مرحله 2: طراحی مدار

همانطور که قبلاً بحث کردیم ، لازم است که سیگنال خود را فیلتر کرده و تقویت کنیم. به منظور انجام این کار ، می توانیم 3 مرحله مختلف از مدار خود را تنظیم کنیم. ابتدا باید سیگنال خود را تقویت کنیم. این کار را می توان با استفاده از تقویت کننده ابزار انجام داد. به این ترتیب ، سیگنال ورودی ما در محصول نهایی بسیار بهتر دیده می شود. سپس باید فیلتر ناچ را به صورت سری با این تقویت کننده ابزار دقیق داشته باشیم. فیلتر ناچ برای حذف نویز از منبع تغذیه ما استفاده می شود. پس از آن ، می توانیم یک فیلتر کم گذر داشته باشیم. از آنجا که قرائت ECG معمولاً فرکانس پایینی دارد ، ما می خواهیم همه فرکانس هایی را که در فرکانس خارج از محدوده خوانش ECG ما هستند ، قطع کنیم ، بنابراین از فیلتر کم گذر استفاده می کنیم. این مراحل در مراحل زیر با جزئیات بیشتری توضیح داده شده است.

اگر با مدار خود مشکل دارید ، بهتر است مدار خود را در یک برنامه آنلاین شبیه سازی کنید. به این ترتیب ، می توانید بررسی کنید که آیا محاسبات شما برای مقادیر مقاومت و خازن درست است یا خیر.

مرحله 3: طراحی تقویت کننده ابزار دقیق

برای مشاهده موثرتر سیگنال بیوالکتریک ، باید سیگنال را تقویت کرد. برای این پروژه ، برای دستیابی به موفقیت کلی 1000 V/V است. برای رسیدن به سود مشخص شده از تقویت کننده ابزار ، مقادیر مقاومت مدار با معادلات زیر محاسبه می شود:

(مرحله 1) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(مرحله 2) K2 = -R4 / R3

جایی که هر یک از مراحل برای محاسبه سود کلی ضرب می شوند. مقادیر مقاومت برای ایجاد افزایش 1000 V/V R1 = 10 کیلو اهم ، R2 = 150 کیلو اهم ، R3 = 10 کیلو اهم و R4 = 330 کیلو اهم است. از منبع تغذیه DC برای ایجاد محدوده ولتاژ +/- 15 ولت (پایین نگه داشتن حد فعلی) برای تغذیه آمپرهای مدار فیزیکی استفاده کنید. اگر می خواهید مقادیر واقعی مقاومتها را بررسی کنید یا می خواهید قبل از ساخت به این نتیجه برسید ، می توانید مدار را با استفاده از برنامه ای مانند PSpice یا CircuitLab به صورت آنلاین شبیه سازی کنید ، یا از یک اسیلوسکوپ با ولتاژ سیگنال ورودی داده شده استفاده کنید و صحت آن را بررسی کنید. افزایش پس از ساخت تقویت کننده فیزیکی. ژنراتور عملکرد و اسیلوسکوپ را برای تقویت مدار به آمپلی فایر وصل کنید.

عکس بالا تصویر مدار را در نرم افزار شبیه سازی PSpice نشان می دهد. برای بررسی اینکه مدار شما به درستی کار می کند ، یک موج سینوسی پیک تا پیک 1 کیلوهرتز 10 میلی ولت را از مولد عملکرد ، از طریق مدار و به اسیلوسکوپ وارد کنید. موج سینوسی 10 ولت اوج تا قله باید روی اسیلوسکوپ مشاهده شود.

مرحله 4: طراحی فیلتر Notch

یک مشکل خاص هنگام برخورد با این مدار این واقعیت است که یک سیگنال نویز 60 هرتز توسط خطوط منبع تغذیه در ایالات متحده تولید می شود. برای حذف این نویز ، سیگنال ورودی به مدار باید در 60 هرتز فیلتر شود ، و چه راهی بهتر از فیلتر ناچ وجود دارد!

فیلتر ناچ (مدار نشان داده شده در بالا) یک نوع فیلتر الکتریکی است که می تواند برای حذف فرکانس خاصی از سیگنال استفاده شود. برای حذف سیگنال 60 هرتز ، معادلات زیر را محاسبه کردیم:

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

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

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

Q = w / B

B = w2 - w1

با استفاده از ضریب کیفیت (Q) 8 برای طراحی یک فیلتر دقیق ، ظرفیت (C) 0.033 uFarads برای مونتاژ آسانتر و فرکانس مرکز (w) 2 * pi * 60 هرتز. این با موفقیت مقادیر مقاومت R1 = 5.024 کیلو اهم ، R2 = 1.2861 اهم و R3 = 5.004 کیلو اهم را با موفقیت محاسبه کرد و با موفقیت یک فیلتر برای حذف فرکانس 60 هرتز از سیگنال بیوالکتریک ورودی ایجاد کرد. اگر می خواهید فیلتر را بررسی کنید ، می توانید مدار را با استفاده از برنامه ای مانند PSpice یا CircuitLab به صورت آنلاین شبیه سازی کنید ، یا از یک اسیلوسکوپ با ولتاژ سیگنال ورودی داده شده استفاده کنید و پس از ساخت یک تقویت کننده فیزیکی ، سیگنال حذف شده را بررسی کنید. ژنراتور عملکرد و اسیلوسکوپ را برای تقویت مدار به آمپلی فایر وصل کنید.

انجام یک رفت و برگشت AC با این مدار در طیف وسیعی از فرکانسها از 1 هرتز تا 1 کیلوهرتز در سیگنال 1 ولت اوج به اوج ، باید دارای ویژگی نوع "ناچ" در 60 هرتز در نمودار خروجی باشد که از ورودی حذف می شود. علامت.

مرحله 5: طراحی فیلتر Low Pass

مرحله نهایی مدار فیلتر کم گذر است ، مخصوصاً فیلتر کم گذر باترورث درجه دوم. این برای جدا کردن سیگنال ECG ما استفاده می شود. شکل موج نوار قلب معمولاً در محدوده فرکانس 0 تا 100 z هرتز است. بنابراین ، ما مقادیر مقاومت و خازن خود را بر اساس فرکانس قطع 100 هرتز و ضریب کیفیت 8 محاسبه می کنیم که به ما فیلتر نسبتاً دقیقی می دهد.

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

مقادیر محاسبه شده ما R1 = 81.723kOhms ، R2 = 120.92kOHms ، C1 = 0.1 microFarads و C2 = 0.045 microFarads است. آمپر آمپرها را با ولتاژ DC + و - 15V تغذیه کنید. اگر می خواهید فیلتر را بررسی کنید ، می توانید مدار را با استفاده از برنامه ای مانند PSpice یا CircuitLab به صورت آنلاین شبیه سازی کنید ، یا از یک اسیلوسکوپ با ولتاژ سیگنال ورودی داده شده استفاده کنید و پس از ساخت یک تقویت کننده فیزیکی ، سیگنال حذف شده را بررسی کنید. ژنراتور عملکرد و اسیلوسکوپ را برای تقویت مدار به آمپلی فایر وصل کنید. در فرکانس قطع ، شما باید قدر -3 دسی بل را ببینید. این نشان می دهد که مدار شما به درستی کار می کند.

مرحله 6: راه اندازی LabVIEW

اکنون که مدار ایجاد شده است ، می خواهیم سیگنال خود را تفسیر کنیم. برای انجام این کار ، می توانیم از LabVIEW استفاده کنیم. از یک دستیار DAQ می توان برای بدست آوردن سیگنال از مدار استفاده کرد. پس از باز کردن LabVIEW ، مدار را مطابق شکل بالا تنظیم کنید. دستیار DAQ این قرائت ورودی را از مدار می گیرد و سیگنال به نمودار شکل موج می رود. این به شما امکان می دهد شکل موج نوار قلب را مشاهده کنید!

در مرحله بعد می خواهیم BPM را محاسبه کنیم. تنظیمات بالا این کار را برای شما انجام می دهد. این برنامه ابتدا مقدار حداکثر سیگنال ECG ورودی را می گیرد. مقدار آستانه به ما امکان می دهد تمام مقادیر جدیدی را که درصدی از حداکثر مقدار ما (در این مورد ، 90 reach) می رسد تشخیص دهیم. سپس محل این مقادیر به آرایه نمایه سازی ارسال می شود. از آنجا که نمایه سازی از 0 شروع می شود ، می خواهیم نقطه 0 و 1 را گرفته و تغییر زمان بین آنها را محاسبه کنیم. این به ما زمان بین ضربه ها را می دهد. سپس این داده ها را برای یافتن BPM برآورد می کنیم. به طور خاص ، این کار با ضرب خروجی از عنصر dt و خروجی تفریق بین دو مقدار در آرایه های نمایه سازی ، و سپس تقسیم بر 60 (از آنجا که ما به دقیقه تبدیل می شویم) انجام می شود.

مرحله 7: همه را متصل کرده و آزمایش کنید

مدار را به ورودی برد DAQ وصل کنید. اکنون سیگنالی که وارد می کنید از مدار به برد DAQ می رود و برنامه LabVIEW شکل موج و BPM محاسبه شده را خروجی می دهد.

تبریک می گویم!