הקלטת אותות ביואלקטריים: א.ק.ג ודופק: 7 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 משתמשים בטכניקות בידוד נאותות.

אלקטרוקרדיוגרמה (א.ק.ג.) היא בדיקה שבה אלקטרודות פני השטח מונחות על הנבדק בצורה מסוימת כדי לזהות ולמדוד את הפעילות החשמלית של לב הנבדק [1]. לאק"ג יש שימושים רבים והוא יכול לתפקד כדי לסייע באבחון מצבי לב, בדיקות מאמץ והתבוננות בזמן הניתוח. א.ק.ג יכול גם לזהות שינויים בפעימות לב, הפרעות קצב, התקף לב והתנסויות ומחלות רבות אחרות [1] המתוארות גם בהצהרת הבעיה לעיל. האות הלב שנמדד על ידי א.ק.ג מייצר שלוש צורות גל מובחנות המתארות הזנה חיה של הלב המתפקד. אלה מוצגות בתמונה למעלה.

מטרתו של פרויקט זה היא ליצור מכשיר שיכול להשיג את אות הא.ק.ג ממחולל פלט או מאדם ולשחזר את האות תוך ביטול רעש. תפוקת המערכת תחשב גם את BPM.

בואו נתחיל!

שלב 1: אסוף את כל החומרים

על מנת ליצור א.ק.ג זה, ניצור מערכת המורכבת משני חלקים עיקריים, המעגל ומערכת LabVIEW. מטרת המעגל היא לוודא שאנו מקבלים את האות שאנו רוצים. יש הרבה רעש מסביב שיכול להטביע את אות האק ג שלנו, ולכן עלינו להעצים את האות שלנו ולסנן כל רעש. לאחר סינון והעצמת האות דרך המעגל, נוכל לשלוח את האות המעודן לתוכנית LabVIEW שתציג את צורת הגל וכן לחשב את BPM. החומרים הבאים נחוצים לפרויקט זה:

-נגד, קבל ומגבר תפעולי (נעשה שימוש במגברים אופיים -UA741) רכיבים חשמליים

-קרש קרם לחם לבנייה ולבדיקה

אספקת חשמל DC לאספקת מתח לאמפר

-מחולל פונקציות לאספקת אות ביואלקטרי

-אוסילוסקופ לצפייה באות קלט

לוח DAQ להמרת אות מאנלוגי לדיגיטלי

תוכנת LabVIEW לתצפית על אות פלט

-BNC וכבלי עופרת קצה משתנים

שלב 2: עיצוב המעגל

כפי שדיברנו זה עתה, יש צורך לסנן ולהגביר את האות שלנו. על מנת לעשות זאת, אנו יכולים להגדיר 3 שלבים שונים של המעגל שלנו. ראשית, עלינו להעצים את האות שלנו. ניתן לעשות זאת על ידי שימוש במגבר מכשור. באופן זה, ניתן לראות את אות הקלט שלנו הרבה יותר טוב במוצר הסופי. לאחר מכן עלינו לקבל מסנן חריץ בסדרה עם מגבר המכשור הזה. מסנן החריץ ישמש לסילוק הרעש ממקור החשמל שלנו. לאחר מכן, נוכל לקבל מסנן נמוך. מכיוון שקריאות הא.ק.ג הן בדרך כלל בתדירות נמוכה, אנו רוצים לנתק את כל התדרים הנמצאים בתדר הנמצא מחוץ לתחומי קריאת הא.ק.ג., לכן אנו משתמשים במסנן מעבר נמוך. שלבים אלה מוסברים בפירוט רב יותר בשלבים הבאים.

אם אתה נתקל בבעיות במעגל שלך, עדיף לדמות את המעגל שלך בתוכנית מקוונת. בדרך זו תוכל לבדוק אם החישובים שלך לערכי הנגד והקבלים נכונים.

שלב 3: תכנון מגבר המכשור

כדי להתבונן ביעילות האות הביו -אלקטרי, יש להגביר את האות. עבור פרויקט זה, כדי להרוויח להשיג סך הכל 1000 V/V. כדי להגיע לרווח שצוין ממגבר המכשור, ערכי ההתנגדות למעגל חושבו על ידי המשוואות הבאות:

(שלב 1) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(שלב 2) K2 = -R4 / R3

כאשר כל אחד מהשלבים מוכפל לחישוב הרווח הכולל. ערכי הנגד שנבחרו על מנת ליצור רווח של 1000 V/V הם R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms ו- R4 = 330 kOhms. השתמש באספקת החשמל DC כדי לתת טווח מתח של +/- 15 וולט (שמירה על מגבלת הזרם נמוכה) כדי להפעיל את מגברי האופ של המעגל הפיזי. אם אתה רוצה לבדוק את הערכים האמיתיים של הנגדים, או שאתה רוצה להשיג רווח זה לפני הבנייה, אתה יכול לדמות את המעגל באמצעות תוכנית כמו PSpice או CircuitLab באינטרנט, או להשתמש באוסילוסקופ עם מתח אות קלט נתון ולבדוק את האמת רווח לאחר בניית מגבר פיזי. חבר את מחולל הפונקציות והאוסילוסקופ למגבר להפעלת המעגל.

התמונה למעלה מתארת כיצד נראה המעגל בתוכנת סימולציה PSpice. כדי לבדוק שהמעגל שלך פועל כראוי, ספק גל סינוס בשיעור של 1 קילוהרץ 10 mV מגנרטור הפונקציות, דרך המעגל ולאוסילוסקופ. יש לראות גל סינוס בשיא 10 וולט באוסילוסקופ.

שלב 4: עיצוב מסנן החריץ

בעיה ספציפית בהתמודדות עם מעגל זה היא העובדה שאות רעש של 60 הרץ מופק על ידי קווי אספקת חשמל בארצות הברית. כדי להסיר את הרעש הזה, יש לסנן את אות הכניסה למעגל ב -60 הרץ, ואיזו דרך טובה יותר לעשות זאת מאשר עם מסנן חריץ!

מסנן חריץ (המעגל המתואר למעלה) הוא סוג מסוים של מסנן חשמלי שניתן להשתמש בו כדי להסיר תדר ספציפי מאות. כדי להסיר את האות של 60 הרץ, חישבנו את המשוואות הבאות:

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

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

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

ש = w / B

B = w2 - w1

שימוש בגורם איכות (Q) של 8 לעיצוב מסנן מדויק להפליא, קיבול (C) של 0.033 uFarads להרכבה קלה יותר ותדר מרכזי (w) של 2 * pi * 60 הרץ. ערכים אלה חישבו בהצלחה את הנגדים R1 = 5.024 kOhms, R2 = 1.2861 MOhms ו- R3 = 5.004 kOhms, ויצרו בהצלחה מסנן להסרת תדר 60 הרץ מהאות הביו -אלקטרי הקלט. אם אתה רוצה לבדוק את המסנן אתה יכול לדמות את המעגל באמצעות תוכנית כמו PSpice או CircuitLab באינטרנט, או להשתמש באוסילוסקופ עם מתח אות קלט נתון ולבדוק את האות שהוסר לאחר בניית מגבר פיזי. חבר את מחולל הפונקציות והאוסילוסקופ למגבר להפעלת המעגל.

ביצוע טאטת AC עם מעגל זה על פני טווח תדרים בין 1 הרץ ל- 1 קילוהרץ באות שיא לשיא של 1 V אמור להניב תכונה מסוג "חריץ" ב 60 הרץ בעלילת הפלט, אשר מוסרת מהקלט אוֹת.

שלב 5: עיצוב מסנן ה- Low Pass

השלב הסופי של המעגל הוא מסנן המעבר הנמוך, במיוחד מסנן בוטוורת 'מסדר נמוך. זה משמש לבידוד אות האק ג שלנו. צורות גל א.ק.ג נמצאות בדרך כלל בגבולות התדרים של 0 עד ~ 100 הרץ. אז, אנו מחשבים את ערכי הנגד והקבלים שלנו על סמך תדר החיתוך של 100 הרץ וגורם איכות של 8, מה שיעניק לנו מסנן מדויק יחסית.

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

הערכים שחישבנו היו בסופו של דבר R1 = 81.723kOhms, R2 = 120.92kOHms, C1 = 0.1 microFarads ו- C2 = 0.045 microFarads. הפעל את מגברי ה- op עם מתח DC של + ו - 15V. אם אתה רוצה לבדוק את המסנן אתה יכול לדמות את המעגל באמצעות תוכנית כמו PSpice או CircuitLab באינטרנט, או להשתמש באוסילוסקופ עם מתח אות קלט נתון ולבדוק את האות שהוסר לאחר בניית מגבר פיזי. חבר את מחולל הפונקציות והאוסילוסקופ למגבר להפעלת המעגל. בתדר החיתוך, אתה אמור לראות בעוצמה של -3 dB. זה מצביע על כך שהמעגל שלך פועל כראוי.

שלב 6: הגדרת LabVIEW

כעת, לאחר שהמעגל נוצר, אנו רוצים להיות מסוגלים לפרש את האות שלנו. לשם כך נוכל להשתמש ב- LabVIEW. ניתן להשתמש בעוזר DAQ לרכישת האות מהמעגל. לאחר פתיחת LabVIEW, הגדר את המעגל כפי שמוצג בתרשים לעיל. עוזר DAQ ייקח את קריאת הקלט הזו מהמעגל והאות יגיע לגרף צורת הגל. זה יאפשר לך לראות את צורת גל האק ג!

בשלב הבא נרצה לחשב את BPM. ההתקנה למעלה תעשה זאת עבורך. התוכנית מתפקדת על ידי לקיחת תחילה את הערכים המרביים של אות ה- ECG הנכנס. ערך הסף מאפשר לנו לזהות את כל הערכים החדשים הבאים שמגיעים לאחוז מהערך המקסימלי שלנו (במקרה זה 90%). המיקומים של ערכים אלה נשלחים לאחר מכן למערך האינדקס. מכיוון שהאינדקס מתחיל ב -0, אנו רוצים לקחת את הנקודה ה -0 וה -1 ולחשב את השינוי בזמן ביניהם. זה נותן לנו את הזמן בין פעימות. לאחר מכן אנו מבצעים חישוב של הנתונים האלה כדי למצוא את ה- BPM. באופן ספציפי, הדבר נעשה על ידי הכפלת הפלט מרכיב dt ופלט החיסור בין שני הערכים במערכי האינדקס ולאחר מכן חלוקה ב- 60 (מכיוון שאנו ממירים לדקות).

שלב 7: חבר את הכל ובדוק את זה

חבר את המעגל לכניסה של לוח DAQ. כעת האות שתזין יעבור דרך המעגל ללוח DAQ ותוכנית LabVIEW תפיק את צורת הגל ואת ה- BPM המחושב.

מזל טוב!