א.ק.ג דיגיטלי ומד דופק: 8 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:17

הערה: זהו אינו מכשיר רפואי. זה מיועד למטרות לימוד רק באמצעות אותות מדומים. אם אתה משתמש במעגל זה למדידות א.ק.ג אמיתיות, ודא שהמעגל וחיבורי המעגל למכשיר מנצלים את הסוללה וטכניקות בידוד נכונות אחרות

אלקטרוקרדיוגרמה (א.ק.ג.) רושמת אותות חשמליים במהלך מחזור הלב. בכל פעם שהלב פועם, יש מחזור של קוטביות והקוטביות של תאי שריר הלב. ניתן להקליט את הקוטביות והקוטביות על ידי אלקטרודות, והרופאים קוראים מידע זה כדי ללמוד עוד על אופן הפעולה של הלב. א.ק.ג יכול לקבוע אוטם בשריר הלב, פרפור פרוזדורים או חדריות, טכיקרדיה וברדיקרדיה [1]. לאחר קביעת הבעיה מה- ECG, הרופאים יכולים לאבחן את המטופל בהצלחה ולטפל בו. בצע את השלבים שלהלן כדי ללמוד כיצד להכין מכשיר הקלטה אלקטרוקרדיוגרפי משלך!

שלב 1: חומרים

רכיבי מעגל:

• חמישה מגברים תפעוליים מסוג UA741
• נגדים
• קבלים
• חוטי מגשר
• לוח DAQ
• תוכנת LabVIEW

ציוד בדיקה:

• מחולל פונקציות
• ספק כוח DC
• אוֹסְצִילוֹסקוּפּ
• כבלי BNC ומפצל T
• כבלי מגשר
• תופסני תנין
• תקעי בננה

שלב 2: מגבר מכשור

השלב הראשון של המעגל הוא מגבר מכשור. זה מגביר את האות הביולוגי כך שניתן להבחין בין המרכיבים השונים של הא.ק.ג.

תרשים המעגל של מגבר המכשור מוצג למעלה. רווח השלב הראשון של מעגל זה מוגדר כ- K1 = 1 + 2*R2 / R1. רווח השלב השני של המעגל מוגדר כ- K2 = R4 / R3. הרווח הכולל של מגבר האבזור הוא K1 * K2. הרווח הרצוי לפרויקט זה היה כ -1000, ולכן K1 נבחר להיות 31 ו- K2 נבחר להיות 33. ערכי ההתנגדות לרווחים אלה מוצגים למעלה בתרשים המעגלים. אתה יכול להשתמש בערכי הנגד המוצגים למעלה, או שאתה יכול לשנות את הערכים כך שיתאימו לרווח הרצוי. **

לאחר שבחרת את ערכי הרכיב שלך, ניתן לבנות את המעגל על לוח הלחם. כדי לפשט את חיבורי המעגלים בלוח הלחם, המעקה האופקי השלילי מלמעלה נקבע כקרקע בעוד ששתי המסילות האופקיות בתחתית נקבעו ל- +/- 15V בהתאמה.

מגבר ה- OP הראשון הוצב בצד שמאל של לוח הלחם על מנת להשאיר מקום לכל שאר הרכיבים. קבצים מצורפים נוספו בסדר הכרונולוגי של הסיכות. זה מקל על מעקב אחר אילו חלקים שנוספו או לא. לאחר השלמת כל הסיכות עבור מגבר אופ 1, ניתן למקם את המגבר הבא. שוב, וודא שהוא קרוב יחסית על מנת להשאיר מקום. אותו תהליך סיכה כרונולוגי הושלם עבור כל מגברי ההפעלה עד להשלמת מגבר המכשור.

לאחר מכן נוספו קבלים עוקפים בנוסף לתרשים המעגלים על מנת להיפטר מצימוד AC בחוטים. קבלים אלה הוכנסו במקביל לאספקת המתח DC ונרקמו על המעקה השלילי האופקי העליון. קבלים אלה צריכים להיות בטווח של 0.1 עד 1 microFarad. לכל מגבר אופ יש שני קבלים מעקפים, אחד לפין 4 ואחד לסיכה 7. שני הקבלים בכל מגבר אופ חייב להיות בעלי אותו ערך, אך יכולים להשתנות ממגבר אופ למגבר אופ.

על מנת לבדוק את ההגברה, מחולל פונקציות ואוסילוסקופ חוברו קלט ופלט של המגבר בהתאמה. אות הכניסה היה מחובר גם לאוסילוסקופ. גל סינוס פשוט שימש לקביעת הגברה. הכנס את פלט מחולל הפונקציות לשני מסופי הכניסה של מגבר המכשור. הגדר את האוסילוסקופ כדי למדוד את היחס בין אות הפלט לאות הקלט. הרווח של מעגל בדציבלים הוא רווח = 20 * log10 (Vout / Vin). עבור רווח של 1000, הרווח בדציבלים הוא 60dB. באמצעות האוסילוסקופ, אתה יכול לקבוע אם הרווח של המעגל הבנוי שלך עומד במפרט שלך, או אם עליך לשנות כמה ערכי הנגד כדי לשפר את המעגל שלך.

לאחר שמגבר המכשור מורכב ומתפקד כראוי, אתה יכול לעבור למסנן החריץ.

** בתרשים המעגל לעיל, R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

שלב 3: מסנן חריץ

מטרת מסנן החריצים היא להסיר רעש מאספקת החשמל בקיר של 60 הרץ. מסנן חריץ מחליש את האות בתדר החיתוך, ומעביר תדרים מעליו ומתחתיו. עבור מעגל זה, תדר החיתוך הרצוי הוא 60 הרץ.

המשוואות השולטות לתרשים המעגלים המוצגים לעיל הן R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) ו- R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), כאשר Q הוא גורם איכות ו- w הוא 2 * pi * (תדירות ניתוק). גורם איכות של 8 נותן ערכי הנגד והקבלים בטווח סביר. ניתן להניח שערכי הקבלים כולם זהים. לפיכך, אתה יכול לבחור ערך קבלים הזמין בערכות שלך. ערכי הנגד המוצגים במעגל לעיל הם לתדירות ניתוק של 60 הרץ, גורם איכות של 8, וערך קבלים של 0.22 uF.

מכיוון שקבלים מוסיפים במקביל, שני קבלים של הערך הנבחר C הוצבו במקביל כדי להשיג ערך של 2C. כמו כן, קבלים מעקפים נוספו למגבר ה- op.

כדי לבדוק את מסנן החריץ, חבר את הפלט ממחולל הפונקציות לקלט של מסנן החריץ. שימו לב לקלט ולפלט של המעגל באוסילוסקופ. כדי לקבל מסנן חריץ יעיל, אתה אמור לקבל רווח של פחות או שווה ל -20dB בתדירות החיתוך. מכיוון שהרכיבים אינם אידיאליים, זה יכול להיות קשה להשגה. ערכי הנגד והקבלים המחושבים עשויים שלא לתת לך את הרווח הרצוי. זה יחייב אותך לבצע שינויים בערכי הנגד והקבלים.

לשם כך, התמקד ברכיב אחד בכל פעם. להגדיל ולהוריד את הערך של רכיב אחד מבלי לשנות אחרים. שימו לב להשפעות שיש לזה על רווח המעגל. זה עשוי לדרוש הרבה סבלנות כדי להשיג את הרווח הרצוי. זכור, אתה יכול להוסיף נגדים בסדרה כדי להגדיל או להקטין את ערכי הנגד. השינוי שהשיפר ביותר את הרווח שלנו היה להגדיל את אחד הקבלים ל 0.33 uF.

שלב 4: מסנן Low Pass

מסנן המעבר הנמוך מסיר רעש בתדר גבוה יותר שעלול להפריע לאות הא.ק.ג. הפסקת מעבר נמוכה של 40 הרץ מספיקה ללכידת מידע על צורות גל א.ק.ג. עם זאת, חלק ממרכיבי האק"ג עולים על 40 הרץ. ניתן להשתמש גם במנתק של 100 הרץ או 150 הרץ [2].

מסנן ה- low pass שנבנה הוא מסנן Butterworth מסדר שני. מכיוון שהרווח של המעגל שלנו נקבע על ידי מגבר המכשור, אנו רוצים רווח של 1 בתוך הלהקה עבור מסנן המעבר הנמוך. עבור רווח של 1, RA הוא קצר ו RB פתוח במעגל במעגל לעיל [3]. במעגל, C1 = 10 / (fc) uF, כאשר fc הוא תדר החיתוך. C1 צריך להיות פחות או שווה ל- C2 * a^2 / (4 * b). עבור מסנן Butterworth מסדר שני, a = sqrt (2) ו- b = 1. חיבור לערכים עבור a ו- b, המשוואה עבור C2 מפשטת פחות או שווה ל- C1 / 2. ואז R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a^2 * C2^2 - 4 * b * C1 * C2))] ו- R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), כאשר w = 2 * pi * fc. החישובים עבור מעגל זה הושלמו על מנת לספק ניתוק של 40 הרץ. ערכי הנגד והקבלים העונים על מפרטים אלה מוצגים בתרשים המעגל לעיל.

מגבר ה- OP הוצב בצד הימני ביותר של לוח הלחם מכיוון שלא יתווספו רכיבים אחרים לאחריו. נגדים וקבלים נוספו למגבר ה- op על מנת להשלים את המעגל. למגבר ה- OP נוספו גם קבלים מעקפים. מסוף הכניסה נשאר ריק מכיוון שהקלט יבוא מאות פלט המסנן החריץ. עם זאת, למטרות בדיקה, חוט הונח בסיכת הקלט על מנת להיות מסוגל לבודד את מסנן המעבר הנמוך ולבדוק אותו בנפרד.

גל סינוס ממחולל הפונקציות שימש כאות קלט ונצפה בתדרים שונים. צפה באותות הקלט והפלט באוסילוסקופ וקבע את רווח המעגל בתדרים שונים. עבור מסנן מעבר נמוך, הרווח בתדירות הניתוק צריך להיות -3db. עבור מעגל זה, הניתוק צריך להתרחש ב 40 הרץ. לתדרים מתחת ל -40 הרץ צריך להיות מעט או ללא הנחתה בצורת הגל שלהם, אך ככל שהתדר עולה מעל 40 הרץ, הרווח צריך להמשיך להתגלגל.

שלב 5: הרכבת שלבי מעגלים

לאחר שבנית כל שלב במעגל ובדקת אותם באופן עצמאי, תוכל לחבר את כולם. יש לחבר את פלט מגבר האבזור לכניסה של מסנן החריץ. הפלט של מסנן החריץ צריך להיות מחובר לקלט של מסנן המעבר הנמוך.

כדי לבדוק את המעגל, חבר את קלט מחולל הפונקציות לקלט של שלב מגבר המכשור. שימו לב לקלט ולפלט של המעגל באוסילוסקופ. אתה יכול לבדוק בעזרת גל א.ק.ג מתוכנת מראש ממחולל הפונקציות, או עם גל סינוס ולצפות בהשפעות המעגל שלך. בתמונת האוסילוסקופ לעיל, העקומה הצהובה היא צורת גל הקלט, והעקומה הירוקה היא הפלט.

לאחר שחיברת את כל שלבי המעגלים שלך והוכחת שהוא פועל כראוי, תוכל לחבר את פלט המעגל ללוח DAQ ולהתחיל לתכנת ב- LabVIEW.

שלב 6: תוכנית LabVIEW

קוד LabVIEW נועד לזהות את הפעימות למטר מתוך גל אק ג מדומה בתדרים שונים. כדי לתכנת ב- LabVIEW עליך לזהות תחילה את כל הרכיבים. ממיר אנלוגי לדיגיטלי, המכונה גם לוח רכישת הנתונים (DAQ), חייב להיות מותקן ולהגדר לפעול באופן רציף. אות הפלט מהמעגל מחובר לקלט של לוח ה- DAQ. גרף צורת הגל בתוכנית LabVIEW מחובר ישירות לפלט של עוזר DAQ. הפלט מנתוני DAQ עובר גם למזהה המקסימום/דקה. לאחר מכן האות עובר דרך אופרטור אריתמטי של כפל. המחוון המספרי של 0.8 משמש לחישוב ערך הסף. כאשר האות עולה על 0.8*מקסימום, מזוהה שיא. בכל פעם שנמצא ערך זה הוא מאוחסן במערך האינדקס. שתי נקודות הנתונים מאוחסנות במערך האינדקס ונכנסות לאופרטור חשבון החיסור. השינוי בזמן נמצא בין שני ערכים אלה. לאחר מכן, לחישוב קצב הלב, 60 מחולק להפרש הזמן. מחוון מספרי, המוצג לצד גרף הפלט, פולט את קצב הלב בפעימות לדקה (bpm) של אות הכניסה. לאחר התקנת התוכנית, כל זה צריך להיות בתוך לולאת מתמשכת. כניסות תדרים שונות נותנות ערכי bpm שונים.

שלב 7: אסוף נתוני א.ק.ג

עכשיו אתה יכול להכניס אות אק"ג מדומה למעגל שלך ולהקליט נתונים בתוכנית LabVIEW שלך! שנה את התדירות והמשרעת של האק"ג המדומה כדי לראות כיצד זה משפיע על הנתונים המוקלטים שלך. כאשר אתה משנה תדר, אתה אמור לראות שינוי בקצב הלב המחושב. עיצבת בהצלחה מד א.ק.ג ודופק!

שלב 8: שיפורים נוספים

המכשיר שנבנה יעבוד היטב לרכישת אותות אק ג מדומים. עם זאת, אם ברצונך להקליט אותות ביולוגיים (הקפד לפעול בהתאם לאמצעי הבטיחות המתאימים), יש לבצע שינויים נוספים במעגלים כדי לשפר את קריאת האותות. יש להוסיף מסנן מעבר גבוה כדי להסיר קיזוז DC וחפצי תנועה בתדר נמוך. הרווח של מגבר המכשור צריך להיות מופחת גם פי עשרה כדי להישאר בטווח השמיש של LabVIEW ושל מגברי האופ.

מקורות

[1] ש 'מיק ופ' מוריס, "מבוא. II-טרמינולוגיה בסיסית.”BMJ, כרך. 324, לא. 7335, עמ '470–3, פברואר 2002.

[2] צ'יה-הונג לין, תכונות תחום תדרים לאפליה של פעימות א.ק.ג באמצעות סיווג מבוסס ניתוח יחסי אפור, במחשבים ומתמטיקה עם יישומים, כרך 55, גיליון 4, 2008, עמודים 680-690, ISSN 0898-1221,

[3] “מסנן סדר שני | הזמנה שנייה עיצוב מסנן נמוך.” הדרכות בסיסיות לאלקטרוניקה, 9 בספטמבר 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…