Εύκολο αυτοματοποιημένο ΗΚΓ (1 ενισχυτής, 2 φίλτρα): 7 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:34

Το ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ) μετρά και εμφανίζει την ηλεκτρική δραστηριότητα της καρδιάς χρησιμοποιώντας διαφορετικά ηλεκτρόδια τοποθετημένα στο δέρμα. Ένα ΗΚΓ μπορεί να δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας ενισχυτή οργάνων, φίλτρο εγκοπής και φίλτρο χαμηλής διέλευσης. Τέλος, το φιλτραρισμένο και ενισχυμένο σήμα μπορεί να απεικονιστεί χρησιμοποιώντας το λογισμικό LabView. Το LabView χρησιμοποιεί επίσης την εισερχόμενη συχνότητα του σήματος για να υπολογίσει τον καρδιακό παλμό του ανθρώπινου υποκειμένου. Ο ενισχυτής οργάνων που κατασκευάστηκε πέτυχε να πάρει το μικρό σήμα του σώματος και να το ενισχύσει σε 1 V, ώστε να μπορεί να προβληθεί στον υπολογιστή χρησιμοποιώντας το LabView. Τα φίλτρα εγκοπής και χαμηλής διέλευσης ήταν επιτυχημένα στη μείωση θορύβου 60 Hz από τροφοδοτικά και παρεμβολών σημάτων άνω των 350 Hz. Ο καρδιακός παλμός σε κατάσταση ηρεμίας μετρήθηκε ότι ήταν 75 bpm και 137 bpm μετά από πέντε λεπτά έντονης άσκησης. Το ΗΚΓ που κατασκευάστηκε ήταν σε θέση να μετρήσει τους καρδιακούς παλμούς σε ρεαλιστικές τιμές και να απεικονίσει τα διαφορετικά συστατικά μιας τυπικής κυματομορφής ΗΚΓ. Στο μέλλον, αυτό το ΗΚΓ θα μπορούσε να βελτιωθεί μεταβάλλοντας τις παθητικές τιμές στο φίλτρο εγκοπών για να μειωθεί ο περισσότερος θόρυβος γύρω στα 60 Hz.

Βήμα 1: Δημιουργήστε τον ενισχυτή οργάνων

Θα χρειαστείτε: LTSpice (ή άλλο λογισμικό οπτικοποίησης κυκλώματος)

Ο ενισχυτής οργάνων δημιουργήθηκε για να αυξήσει το μέγεθος του σήματος, ώστε να είναι ορατό και να επιτρέπει την ανάλυση της κυματομορφής.

Χρησιμοποιώντας R1 = 3,3k ohms, R2 = 33k ohm, R3 = 1k ohms, R4 = 48 ohm επιτυγχάνεται κέρδος Χ. Κέρδος = -R4/R3 (1+R2/R1) = -47k/1k (1- (33k/3.3k)) = -1008

Επειδή στον τελικό ενισχυτή op το σήμα μπαίνει στον ανεστραμμένο πείρο, το κέρδος είναι 1008. Αυτός ο σχεδιασμός δημιουργήθηκε στο LTSpice και στη συνέχεια προσομοιώθηκε με εναλλαγή εναλλασσόμενου ρεύματος από 1 έως 1kHz με 100 πόντους ανά δεκαετία για είσοδο ημιτονοειδούς κύματος με πλάτος εναλλασσόμενου ρεύματος 1V Το

Ελέγξαμε ότι το κέρδος μας ήταν παρόμοιο επιδιωκόμενο κέρδος. Από το γράφημα βρήκαμε Gain = 10^(60/20) = 1000 που είναι αρκετά κοντά στο επιδιωκόμενο κέρδος μας 1008.

Βήμα 2: Δημιουργήστε το φίλτρο Notch

Θα χρειαστείτε: LTSpice (ή άλλο λογισμικό οπτικοποίησης κυκλώματος)

Ένα φίλτρο εγκοπών είναι ένας συγκεκριμένος τύπος φίλτρου χαμηλής διέλευσης που ακολουθείται από ένα φίλτρο υψηλής διέλευσης για να εξαλειφθεί μια συγκεκριμένη συχνότητα. Ένα φίλτρο εγκοπής χρησιμοποιείται για την εξάλειψη του θορύβου που παράγεται από όλες τις ηλεκτρονικές συσκευές που υπάρχει στα 60Hz.

Οι παθητικές τιμές υπολογίστηκαν: C =.1 uF (επιλέχθηκε η τιμή) 2C =.2 uF (χρησιμοποιήθηκε πυκνωτής.22 uF)

Θα χρησιμοποιηθεί συντελεστής AQ 8: R1 = 1/(2*Q*2*pi*f*C) = 1/(2*8*2*3.14159*60*.1E-6) = 1.66 kOhm (1.8 kOhm χρησιμοποιήθηκε) R2 = 2Q/(2*pi*f*C) = (2*8)/(60 Hz*2*3.14159*.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm ήταν χρησιμοποιείται) Διαίρεση τάσης: Rf = R1 * R2 / (R1 + R2) = 1,8 kOhm * 423 kOhm / (1,8 kOhm + 423 kOhm) = 1,79 kOhm (χρησιμοποιήθηκε 1,8 kOhm)

Αυτός ο σχεδιασμός φίλτρου έχει κέρδος 1, πράγμα που σημαίνει ότι δεν υπάρχουν ιδιότητες ενίσχυσης.

Η σύνδεση των παθητικών τιμών και η προσομοίωση στο LTSpice με εναλλαγή εναλλασσόμενου ρεύματος και ένα σήμα εισόδου ημιτονοειδούς κύματος 0,1 V με συχνότητα εναλλασσόμενου ρεύματος 1 kHz έχει ως αποτέλεσμα τη συνημμένη γραφική παράσταση.

Σε συχνότητα περίπου 60 Hz, το σήμα φτάνει στη χαμηλότερη τάση. Το φίλτρο είναι επιτυχές στην απομάκρυνση θορύβου 60 Hz σε μια δυσδιάκριτη τάση 0,01 V και παρέχοντας κέρδος 1, αφού η τάση εισόδου είναι 0,1 V.

Βήμα 3: Δημιουργήστε το φίλτρο Low Pass

Θα χρειαστείτε: LTSpice (ή άλλο λογισμικό οπτικοποίησης κυκλώματος)

Ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης δημιουργήθηκε για να αφαιρέσει τα σήματα πάνω από το όριο ενδιαφέροντος που θα περιείχε το σήμα ΗΚΓ. Το όριο ενδιαφέροντος ήταν μεταξύ 0 - 350Hz.

Η τιμή του πυκνωτή επιλέχθηκε να είναι.1 uF. Η απαιτούμενη αντίσταση υπολογίζεται για υψηλή συχνότητα διακοπής 335 Hz: C = 0.1 uF R = 1/(2pi*0.1*(10^-6)*335 Hz) = 4.75 kOhm (χρησιμοποιήθηκε 4.7 kOhm)

Η σύνδεση των παθητικών τιμών και η προσομοίωση στο LTSpice με εναλλαγή εναλλασσόμενου ρεύματος και ένα σήμα εισόδου ημιτονοειδούς κύματος 0,1 V με συχνότητα εναλλασσόμενου ρεύματος 1 kHz έχει ως αποτέλεσμα τη συνημμένη γραφική παράσταση.

Βήμα 4: Δημιουργήστε το κύκλωμα σε ένα Breadboard

Θα χρειαστείτε: αντιστάσεις διαφορετικών τιμών, πυκνωτές διαφορετικών τιμών, ενισχυτές λειτουργίας UA 471, καλώδια βραχυκυκλωτήρων, σανίδα ψωμιού, καλώδια σύνδεσης, τροφοδοτικό ή μπαταρία 9 V

Τώρα που προσομοιώσατε το κύκλωμά σας, ήρθε η ώρα να το χτίσετε σε μια σανίδα ψωμιού. Εάν δεν έχετε τις ακριβείς τιμές που αναφέρονται, χρησιμοποιήστε αυτό που έχετε ή συνδυάστε αντιστάσεις και πυκνωτές για να δημιουργήσετε τις τιμές που χρειάζεστε. Θυμηθείτε να τροφοδοτήσετε την πλακέτα ψωμιού σας χρησιμοποιώντας μπαταρία 9 Volt ή τροφοδοτικό DC. Κάθε ενισχυτής χρειάζεται θετική και αρνητική πηγή τάσης.

Βήμα 5: Ρύθμιση περιβάλλοντος LabView

Θα χρειαστείτε: Λογισμικό LabView, έναν υπολογιστή

Προκειμένου να αυτοματοποιηθεί η εμφάνιση της κυματομορφής και ο υπολογισμός του καρδιακού ρυθμού, χρησιμοποιήθηκε το LabView. Το LabView είναι ένα πρόγραμμα που χρησιμοποιείται για την οπτικοποίηση και την ανάλυση δεδομένων. Η έξοδος του κυκλώματος ΗΚΓ είναι η είσοδος για το LabView. Τα δεδομένα εισάγονται, αναλύονται και αναλύονται με βάση το μπλοκ διάγραμμα που σχεδιάστηκε παρακάτω.

Πρώτον, ο βοηθός DAQ λαμβάνει το αναλογικό σήμα από το κύκλωμα. Οι οδηγίες δειγματοληψίας καθορίζονται εδώ. Ο ρυθμός δειγματοληψίας ήταν 1k δείγματα ανά δευτερόλεπτο και το διάστημα ήταν 3k ms, επομένως το χρονικό διάστημα που φαίνεται στο γράφημα κυματομορφής είναι 3 δευτερόλεπτα. Το γράφημα κυματομορφής έλαβε δεδομένα από τον βοηθό DAQ και στη συνέχεια τα απεικονίζει στο παράθυρο του μπροστινού πίνακα. Το κάτω τμήμα του μπλοκ διαγράμματος περιλαμβάνει τον υπολογισμό του καρδιακού ρυθμού. Πρώτα μετράται το μέγιστο και το ελάχιστο του κύματος. Στη συνέχεια, αυτές οι μετρήσεις πλάτους χρησιμοποιούνται για να καθορίσουν εάν συμβαίνουν κορυφές που ορίζονται ως το 95% του μέγιστου πλάτους και αν ναι καταγράφεται το χρονικό σημείο. Μόλις εντοπιστούν οι κορυφές, το πλάτος και το χρονικό σημείο αποθηκεύονται σε πίνακες. Στη συνέχεια, ο αριθμός των κορυφών/ δευτερολέπτων μετατρέπεται σε λεπτά και εμφανίζεται στον μπροστινό πίνακα. Ο μπροστινός πίνακας δείχνει την κυματομορφή και τους παλμούς ανά λεπτό.

Το κύκλωμα συνδέθηκε με το LabVIEW μέσω ενός National Instruments ADC όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Η γεννήτρια συνάρτησης παρήγαγε το προσομοιωμένο σήμα ΗΚΓ εισήχθη στο ADC το οποίο μετέφερε τα δεδομένα στο LabView για γραφική παράσταση και ανάλυση. Επιπλέον, μόλις υπολογίστηκε το BPM στο LabVIEW, ο Αριθμητικός Δείκτης χρησιμοποιήθηκε για την εκτύπωση αυτής της τιμής στον μπροστινό πίνακα της εφαρμογής κατά μήκος του γραφήματος κυματομορφής, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.

Βήμα 6: Δοκιμάστε το κύκλωμα χρησιμοποιώντας τη γεννήτρια λειτουργιών

Θα χρειαστείτε: κύκλωμα στο breadboard, καλώδια σύνδεσης, τροφοδοτικό ή μπαταρία 9 V, National Instruments ADC, LabView Software, υπολογιστής

Για τη δοκιμή του οργάνου LabView εισήχθη προσομοιωμένο ΗΚΓ στο κύκλωμα και η έξοδος του κυκλώματος συνδέθηκε με το LabView μέσω του National Instruments ADC. Πρώτα ένα σήμα 20mVpp σε 1Hz εισήχθη στο κύκλωμα για να προσομοιώσει τον καρδιακό παλμό σε ηρεμία. Ο μπροστινός πίνακας LabView εμφανίζεται στην παρακάτω εικόνα. Το σύμπλεγμα κύματος P, T, U και QRS είναι όλα ορατά. Το BMP υπολογίζεται σωστά και εμφανίζεται στην αριθμητική ένδειξη. Υπάρχει κέρδος περίπου 8 V/0,02 V = 400 μέσω του κυκλώματος που είναι παρόμοιο με αυτό που είδαμε όταν το κύκλωμα ήταν προσαρτημένο στον παλμογράφο. Επισυνάπτεται μια εικόνα του αποτελέσματος στο LabView. Στη συνέχεια, για να προσομοιωθεί ένας αυξημένος καρδιακός παλμός για παράδειγμα κατά τη διάρκεια της άσκησης, εισήχθη στο κύκλωμα ένα σήμα 20mVpp στα 2Hz. Υπήρξε συγκρίσιμο κέρδος με το τεστ στον καρδιακό ρυθμό ανάπαυσης. Κάτω από την κυματομορφή φαίνεται να έχει όλα τα ίδια μέρη όπως πριν με γρηγορότερο ρυθμό. Ο καρδιακός ρυθμός υπολογίζεται και εμφανίζεται στον αριθμητικό δείκτη και βλέπουμε τα αναμενόμενα 120 BPM.

Βήμα 7: Δοκιμάστε το κύκλωμα χρησιμοποιώντας ανθρώπινο θέμα

Θα χρειαστείτε: κύκλωμα στο breadboard, καλώδια σύνδεσης, τροφοδοτικό ή μπαταρία 9 V, National Instruments ADC, LabView Software, υπολογιστή, ηλεκτρόδια (τουλάχιστον τρία), ανθρώπινο θέμα

Τέλος, το κύκλωμα δοκιμάστηκε με ανθρώπινο υποκείμενο ΗΚΓ οδηγεί στο κύκλωμα και στην έξοδο του κυκλώματος πηγαίνει στο LabView. Τρία ηλεκτρόδια τοποθετήθηκαν σε ένα θέμα για να πάρουν ένα πραγματικό σήμα. Τοποθέτησαν ηλεκτρόδια τόσο στους καρπούς όσο και στον δεξιό αστράγαλο. Ο δεξιός καρπός ήταν η θετική είσοδος, ο αριστερός καρπός ήταν αρνητικός και ο αστράγαλος ήταν αλεσμένος. Και πάλι τα δεδομένα εισήχθησαν στο LabView για επεξεργασία. Η διαμόρφωση του ηλεκτροδίου επισυνάπτεται ως εικόνα.

Αρχικά, εμφανίστηκε και αναλύθηκε το σήμα ΗΚΓ ανάπαυσης του υποκειμένου. Σε ηρεμία, το άτομο είχε καρδιακό ρυθμό περίπου 75 σ.α.λ. Το άτομο στη συνέχεια συμμετείχε σε έντονη σωματική δραστηριότητα για 5 λεπτά. Το θέμα επανασυνδέθηκε και το σήμα που ανυψώθηκε καταγράφηκε. Ο καρδιακός ρυθμός ήταν περίπου 137 bpm μετά τη δραστηριότητα. Αυτό το σήμα ήταν μικρότερο και είχε περισσότερο θόρυβο. Τοποθέτησαν ηλεκτρόδια τόσο στους καρπούς όσο και στον δεξιό αστράγαλο. Ο δεξιός καρπός ήταν η θετική είσοδος, ο αριστερός καρπός ήταν αρνητικός και ο αστράγαλος ήταν αλεσμένος. Και πάλι τα δεδομένα εισήχθησαν στο LabView για επεξεργασία.

Ένα μέσο άτομο έχει σήμα ΗΚΓ περίπου 1mV. Το αναμενόμενο κέρδος μας ήταν περίπου 1000, επομένως θα περιμέναμε τάση εξόδου 1V. Από την καταγραφή σε ηρεμία που φαίνεται στην εικόνα XX, το πλάτος του συμπλέγματος QRS είναι περίπου (-0,7)-(-1,6) = 0,9 V. Αυτό παράγει σφάλμα 10%. (1-0,9)/1*100 = 10% Ο καρδιακός ρυθμός σε ηρεμία ενός τυπικού ανθρώπου είναι 60, ο μετρημένος ήταν περίπου 75, αυτό παράγει | 60-75 |*100/60 = 25% σφάλμα. Ο αυξημένος καρδιακός ρυθμός ενός τυπικού ανθρώπου είναι 120, ο μετρημένος ήταν περίπου 137, αυτό παράγει | 120-137 |*100/120 = 15% σφάλμα.

Συγχαρητήρια! Έχετε δημιουργήσει τώρα το δικό σας αυτοματοποιημένο ΗΚΓ.