Απλό ΗΚΓ και ανιχνευτής καρδιακών παλμών: 10 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:38

ΠΡΟΣΟΧΗ: Δεν πρόκειται για ιατρική συσκευή. Αυτό είναι για εκπαιδευτικούς σκοπούς μόνο χρησιμοποιώντας προσομοιωμένα σήματα. Εάν χρησιμοποιείτε αυτό το κύκλωμα για πραγματικές μετρήσεις ΗΚΓ, βεβαιωθείτε ότι το κύκλωμα και οι συνδέσεις κυκλώματος-οργάνου χρησιμοποιούν κατάλληλες τεχνικές απομόνωσης

Σήμερα, θα εξετάσουμε τον βασικό σχεδιασμό κυκλώματος ηλεκτροκαρδιογραφίας (ΗΚΓ) και θα δημιουργήσουμε ένα κύκλωμα για την ενίσχυση και το φιλτράρισμα του ηλεκτρικού σήματος της καρδιάς σας. Στη συνέχεια, μπορούμε να μετρήσουμε τον καρδιακό ρυθμό χρησιμοποιώντας το λογισμικό labVIEW. Καθ 'όλη τη διάρκεια της διαδικασίας, θα δώσω λεπτομερείς οδηγίες σχετικά με τα στοιχεία του σχεδιασμού κυκλώματος και γιατί προέκυψαν, καθώς και ένα μικρό βιολογικό υπόβαθρο. Η εικόνα του τίτλου είναι το ηλεκτρικό σήμα της καρδιάς μου. Μέχρι το τέλος αυτού του οδηγού, θα μπορείτε να μετρήσετε και το δικό σας. Ας αρχίσουμε!

Το ΗΚΓ είναι ένα χρήσιμο διαγνωστικό εργαλείο για ιατρικούς επαγγελματίες. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διάγνωση πολλών παθήσεων της καρδιάς, από τη βασική καρδιακή προσβολή (έμφραγμα του μυοκαρδίου), μέχρι τις πιο προχωρημένες καρδιακές διαταραχές, όπως η κολπική μαρμαρυγή, που οι άνθρωποι μπορούν να περάσουν το μεγαλύτερο μέρος της ζωής τους χωρίς να το παρατηρήσουν. Κάθε καρδιακός παλμός, το αυτόνομο νευρικό σας σύστημα εργάζεται σκληρά για να κάνει την καρδιά σας να χτυπά. Στέλνει ηλεκτρικά σήματα στην καρδιά, τα οποία ταξιδεύουν από τον κόμβο SA στον κόμβο AV, και στη συνέχεια ταυτόχρονα στην αριστερή και δεξιά κοιλία, και τέλος από το ενδοκάρδιο στις ίνες του επικαρδίου και του purkinje, οι καρδιές είναι η τελευταία γραμμή άμυνας. Αυτό το περίπλοκο βιολογικό κύκλωμα μπορεί να έχει προβλήματα οπουδήποτε στην πορεία του και το ΗΚΓ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διάγνωση αυτών των ζητημάτων. Θα μπορούσα να μιλάω για βιολογία όλη μέρα, αλλά υπάρχει ήδη ένα βιβλίο σχετικά με το θέμα, οπότε δείτε το "ΗΚΓ διάγνωση στην κλινική πρακτική", από τους Nicholas Peters, Michael Gatzoulis και Romeo Vecht. Αυτό το βιβλίο είναι εξαιρετικά εύκολο να διαβαστεί και καταδεικνύει την εκπληκτική χρησιμότητα ενός ΗΚΓ.

Για να δημιουργήσετε το ΗΚΓ, θα χρειαστείτε τα ακόλουθα στοιχεία ή αποδεκτές υποκαταστάσεις.

• Για το σχεδιασμό κυκλωμάτων:

  • Breadboard
  • Ενισχυτές OP 5
  • Αντιστάσεις
  • Πυκνωτές
  • Καλώδια
  • Κλιπ Αλιγάτορα, ή άλλες μέθοδοι διέγερσης και μέτρησης
  • Καλώδια BNC
  • Γεννήτρια λειτουργιών
  • Παλμοσκόπιο
  • Τροφοδοτικό DC ή μπαταρίες εάν είστε βολικοί

• Για τον εντοπισμό καρδιακών παλμών:

  • LabView
  • Διοικητικό Συμβούλιο DAQ

• Για μέτρηση βιολογικού σήματος*

  • Ηλεκτρόδια
  • Κλιπ αλιγάτορα ή καλώδια ηλεκτροδίων

*Έβαλα μια προειδοποιητική σημείωση παραπάνω και θα συζητήσω λίγο περισσότερο τους κινδύνους των ηλεκτρικών εξαρτημάτων για το ανθρώπινο σώμα. Μην συνδέετε αυτό το ΗΚΓ με τον εαυτό σας εκτός εάν έχετε διασφαλίσει ότι χρησιμοποιείτε κατάλληλες τεχνικές απομόνωσης. Η σύνδεση συσκευών που τροφοδοτούνται με ρεύμα, όπως τροφοδοτικά, παλμογράφοι και υπολογιστές απευθείας στο κύκλωμα, μπορεί να προκαλέσει τη ροή μεγάλων ρευμάτων μέσω του κυκλώματος σε περίπτωση υπερτάσεων ισχύος. Παρακαλούμε απομονώστε το κύκλωμα από το ηλεκτρικό δίκτυο χρησιμοποιώντας την μπαταρία και άλλες τεχνικές απομόνωσης.

Επόμενο 'Θα συζητήσω το διασκεδαστικό μέρος. Στοιχεία σχεδιασμού κυκλώματος!

Βήμα 1: Προδιαγραφές σχεδίασης κυκλώματος

Τώρα θα μιλήσω για το σχεδιασμό κυκλωμάτων. Δεν θα συζητήσω τα σχηματικά κυκλώματα, καθώς αυτά θα δοθούν μετά από αυτήν την ενότητα. Αυτή η ενότητα είναι για άτομα που θέλουν να καταλάβουν γιατί επιλέξαμε τα στοιχεία που κάναμε.

Η παραπάνω εικόνα, που ελήφθη από το εργαστηριακό μου εγχειρίδιο στο Πανεπιστήμιο Purdue, μας δίνει σχεδόν όλα όσα πρέπει να γνωρίζουμε για να σχεδιάσουμε ένα βασικό κύκλωμα ΗΚΓ. Αυτή είναι η σύνθεση συχνότητας ενός μη φιλτραρισμένου σήματος ΗΚΓ, με ένα γενικό "πλάτος" (άξονας y) που αναφέρεται σε έναν αδιάστατο αριθμό για συγκριτικούς σκοπούς. Τώρα ας μιλήσουμε για το σχεδιασμό!

Α. Ενισχυτής οργάνων

Ο ενισχυτής οργάνων θα είναι το πρώτο στάδιο στο κύκλωμα. Αυτό το ευέλικτο εργαλείο ρυθμίζει το σήμα, μειώνει τον κοινό θόρυβο λειτουργίας και ενισχύει το σήμα.

Παίρνουμε ένα σήμα από το ανθρώπινο σώμα. Ορισμένα κυκλώματα σάς επιτρέπουν να χρησιμοποιείτε την πηγή μέτρησης ως τροφοδοτικό, καθώς υπάρχει επαρκής χρέωση διαθέσιμη χωρίς κίνδυνο ζημιάς. Ωστόσο, δεν θέλουμε να βλάψουμε τα ανθρώπινα υποκείμενά μας, οπότε πρέπει να ρυθμίσουμε το σήμα που μας ενδιαφέρει να μετρήσουμε. Ένας ενισχυτής οργάνων σάς επιτρέπει να ρυθμίζετε βιολογικά σήματα, καθώς οι Είσοδοι Op Amp έχουν θεωρητικά άπειρη αντίσταση (αυτό δεν συμβαίνει, στην πράξη, αλλά η σύνθετη αντίσταση είναι συνήθως αρκετά υψηλή), πράγμα που σημαίνει ότι κανένα ρεύμα (θεωρητικά) δεν μπορεί να ρεύσει στην είσοδο τερματικά.

Το ανθρώπινο σώμα έχει θόρυβο. Τα σήματα από τους μυς μπορούν να προκαλέσουν αυτόν τον θόρυβο να εκδηλωθεί σε σήματα ΗΚΓ. Για να μειώσουμε αυτόν τον θόρυβο, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ενισχυτή διαφοράς για να μειώσουμε τον θόρυβο κοινής λειτουργίας. Ουσιαστικά, θέλουμε να αφαιρέσουμε τον θόρυβο που υπάρχει στους μυς του αντιβραχίου σας σε δύο τοποθετήσεις ηλεκτροδίων. Ένας ενισχυτής οργάνων περιλαμβάνει ενισχυτή διαφοράς.

Τα σήματα στο ανθρώπινο σώμα είναι μικρά. Πρέπει να ενισχύσουμε αυτά τα σήματα ώστε να μπορούν να μετρηθούν σε κατάλληλη ανάλυση χρησιμοποιώντας ηλεκτρικές συσκευές μέτρησης. Ένας ενισχυτής οργάνων παρέχει το απαραίτητο κέρδος για να γίνει αυτό. Δείτε τον συνημμένο σύνδεσμο για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τους ενισχυτές οργάνων.

www.electronics-tutorial.net/amplifier/instrumentation-amplifier/index.html

Β. Φίλτρο εγκοπών

Οι γραμμές ηλεκτρικού ρεύματος στις ΗΠΑ παράγουν ένα "κύριο βουητό" ή "θόρυβο γραμμής ρεύματος" στα 60 Hz ακριβώς. Σε άλλες χώρες αυτό συμβαίνει στα 50 Hz. Μπορούμε να δούμε αυτόν τον θόρυβο κοιτάζοντας την παραπάνω εικόνα. Δεδομένου ότι το σήμα ΗΚΓ μας εξακολουθεί να είναι κάπως εντός της ζώνης ενδιαφέροντος, θέλουμε να αφαιρέσουμε αυτόν τον θόρυβο. Για να αφαιρέσετε αυτόν τον θόρυβο, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα φίλτρο εγκοπής, το οποίο μειώνει το κέρδος σε συχνότητες εντός της εγκοπής. Μερικοί άνθρωποι μπορεί να μην ενδιαφέρονται για τις υψηλότερες συχνότητες στο φάσμα του ΗΚΓ και μπορεί να επιλέξουν να δημιουργήσουν ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης με αποκοπή κάτω από τα 60 Hz. Ωστόσο, θέλαμε να κάνουμε λάθος στην ασφαλή πλευρά και να λάβουμε όσο το δυνατόν περισσότερο σήμα, οπότε επιλέχθηκε ένα φίλτρο εγκοπών και φίλτρο χαμηλής διέλευσης με υψηλότερη συχνότητα διακοπής.

Δείτε τον συνημμένο σύνδεσμο για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τα φίλτρα εγκοπής.

www.electronics-tutorials.ws/filter/band-st…

Γ. Φίλτρο χαμηλής διέλευσης Butterworth VCVS δεύτερης τάξης

Η σύνθεση συχνότητας ενός σήματος ΗΚΓ επεκτείνεται μόνο μέχρι τώρα. Θέλουμε να εξαλείψουμε τα σήματα σε υψηλότερες συχνότητες, αφού για τους σκοπούς μας, είναι απλά θόρυβος. Σήματα από το κινητό σας τηλέφωνο, τη συσκευή με μπλε δόντια ή φορητό υπολογιστή υπάρχουν παντού και αυτά τα σήματα θα προκαλούσαν απαράδεκτο θόρυβο στο σήμα ΗΚΓ. Μπορούν να εξαλειφθούν με φίλτρο χαμηλής διέλευσης Butterworth. Η συχνότητα διακοπής που επιλέξαμε ήταν 220 Hz, η οποία εκ των υστέρων, ήταν λίγο υψηλή. Αν δημιουργούσα ξανά αυτό το κύκλωμα, θα επέλεγα μια συχνότητα διακοπής πολύ χαμηλότερη από αυτήν, και ίσως ακόμη και να πειραματιζόμουν με μια συχνότητα διακοπής κάτω από τα 60 Hz και αντ 'αυτού να χρησιμοποιούσα φίλτρο υψηλότερης τάξης!

Αυτό το φίλτρο είναι δεύτερης τάξης. Αυτό σημαίνει ότι το κέρδος "εξαφανίζεται" με ρυθμό 40 db/δεκαετία αντί για 20 db/δεκαετία όπως θα έκανε το φίλτρο πρώτης τάξης. Αυτή η πιο απότομη εκτόξευση παρέχει μεγαλύτερο μετριασμό του σήματος υψηλής συχνότητας.

Επιλέχθηκε ένα φίλτρο Butterworth αφού είναι "μέγιστο επίπεδο" στη ζώνη διέλευσης, πράγμα που σημαίνει ότι δεν υπάρχει παραμόρφωση μέσα στη ζώνη διέλευσης. Αν σας ενδιαφέρει, αυτός ο σύνδεσμος περιέχει εκπληκτικές πληροφορίες για το βασικό σχεδιασμό φίλτρου δεύτερης τάξης:

www.electronics-tutorials.ws/filter/second-…

Τώρα που μιλήσαμε για το σχεδιασμό κυκλωμάτων, μπορούμε να ξεκινήσουμε την κατασκευή.

Βήμα 2: Κατασκευάστε τον ενισχυτή οργάνων

Αυτό το κύκλωμα θα προστατεύσει την είσοδο, θα αφαιρέσει τον κοινό θόρυβο λειτουργίας και θα ενισχύσει το σήμα με κέρδος 100. Οι σχηματικές και συνοδευτικές εξισώσεις σχεδίου παρουσιάζονται παραπάνω. Αυτό δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας τον σχεδιαστή OrCAD Pspice και προσομοιώθηκε χρησιμοποιώντας το Pspice. Το σχήμα βγαίνει λίγο θολό όταν αντιγράφεται από το OrCAD, οπότε ζητώ συγγνώμη για αυτό. Έχω επεξεργαστεί την εικόνα για να ελπίζω να κάνω κάποιες από τις τιμές αντίστασης λίγο πιο ξεκάθαρες.

Να θυμάστε ότι κατά τη δημιουργία κυκλωμάτων, θα πρέπει να επιλέγονται λογικές τιμές αντίστασης και χωρητικότητας έτσι ώστε να λαμβάνονται υπόψη η πρακτική σύνθετη αντίσταση της πηγής τάσης, η πρακτική σύνθετη αντίσταση της συσκευής μέτρησης τάσης και το φυσικό μέγεθος των αντιστάσεων και των πυκνωτών.

Οι εξισώσεις σχεδιασμού παρατίθενται παραπάνω. Αρχικά, θέλαμε το κέρδος του ενισχυτή οργάνων να είναι x1000 και δημιουργήσαμε αυτό το κύκλωμα έτσι ώστε να μπορούμε να ενισχύσουμε προσομοιωμένα σήματα. Ωστόσο, όταν το συνδέουμε με το σώμα μας, θέλαμε να μειώσουμε το κέρδος στο 100 για λόγους ασφάλειας, αφού οι σανίδες δεν είναι ακριβώς οι πιο σταθερές διεπαφές κυκλωμάτων. Αυτό έγινε με αντίσταση θερμής εναλλαγής 4 για να μειωθεί κατά ένα συντελεστή δέκα. Στην ιδανική περίπτωση, το κέρδος σας από κάθε στάδιο του ενισχυτή οργάνων θα ήταν το ίδιο, αλλά αντίθετα το κέρδος μας έγινε 31,6 για το στάδιο 1 και 3,16 για το στάδιο 2, δίνοντας κέρδος 100. Επισυνάπτω το σχηματικό κύκλωμα για κέρδος 100 αντί για 1000. Θα εξακολουθείτε να βλέπετε προσομοιωμένα και βιολογικά σήματα τέλεια με αυτό το επίπεδο κέρδους, αλλά μπορεί να μην είναι ιδανικό για ψηφιακά εξαρτήματα με χαμηλή ανάλυση.

Σημείωση, στο σχηματικό κύκλωμα, οι λέξεις "είσοδος γείωσης" και "θετική είσοδος" έχουν σχεδιαστεί με πορτοκαλί κείμενο. Τοποθέτησα κατά λάθος την είσοδο της συνάρτησης εκεί που υποτίθεται ότι είναι το έδαφος. Παρακαλούμε τοποθετήστε το έδαφος όπου σημειώνεται η "είσοδος γείωσης" και η συνάρτηση όπου σημειώνεται η "θετική είσοδος".

• Περίληψη

  • Κέρδος 1ου σταδίου - 31,6
  • Στάδιο 2 κέρδος - 3.16 για λόγους ασφαλείας

Βήμα 3: Δημιουργήστε το φίλτρο εγκοπών

Αυτό το φίλτρο εγκοπών εξαλείφει τον θόρυβο 60 Hz από τις γραμμές ισχύος των ΗΠΑ. Δεδομένου ότι θέλουμε αυτό το φίλτρο να εγκοπή ακριβώς στα 60 Hz, η χρήση των σωστών τιμών αντίστασης είναι κρίσιμη.

Οι εξισώσεις σχεδιασμού παρατίθενται παραπάνω. Χρησιμοποιήθηκε ένας συντελεστής ποιότητας 8, ο οποίος οδηγεί σε μια πιο απότομη κορυφή στη συχνότητα εξασθένησης. Χρησιμοποιήθηκε μια κεντρική συχνότητα (f0) 60 Hz, με εύρος ζώνης (βήτα) 2 rad/s για να παρέχει εξασθένηση σε συχνότητες που αποκλίνουν ελαφρώς από την κεντρική συχνότητα. Θυμηθείτε ότι το ελληνικό γράμμα ωμέγα (w) είναι σε μονάδες rad/s. Για να μετατρέψουμε από Hz σε rad/s, πρέπει να πολλαπλασιάσουμε την κεντρική μας συχνότητα, 60 Hz, με 2*pi. Η βήτα μετράται επίσης σε rad/s.

• Τιμές για εξισώσεις σχεδίασης

  • w0 = 376,99 rad/s
  • Βήτα (Β) = 2 rad/s
  • Q = 8
• Από εδώ, επιλέχθηκαν λογικές τιμές αντίστασης και χωρητικότητας για την κατασκευή του κυκλώματος.

Βήμα 4: Δημιουργήστε το φίλτρο χαμηλής διέλευσης

Ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης χρησιμοποιείται για την εξάλειψη των υψηλών συχνοτήτων που δεν μας ενδιαφέρουν να μετρήσουμε, όπως σήματα κινητού τηλεφώνου, επικοινωνία bluetooth και θόρυβο WiFi. Ένα ενεργό φίλτρο δεύτερης τάξης VCVS Butterworth παρέχει ένα μέγιστο επίπεδο (καθαρό) σήμα στην περιοχή διέλευσης ζώνης με ρολό από -40 db/δεκαετία στην περιοχή εξασθένησης.

Οι εξισώσεις σχεδιασμού παρατίθενται παραπάνω. Αυτές οι εξισώσεις είναι λίγο μεγάλες, οπότε θυμηθείτε να ελέγξετε τα μαθηματικά σας! Σημειώστε ότι οι τιμές b και μια τιμή είναι προσεκτικά επιλεγμένες για να παρέχουν επίπεδο σήμα στην περιοχή μπάσων και ομοιόμορφη εξασθένηση στην περιοχή roll off. Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το πώς προκύπτουν αυτές οι τιμές, ανατρέξτε στον σύνδεσμο στο βήμα 2, ενότητα Γ, "φίλτρο χαμηλής διέλευσης".

Οι προδιαγραφές για το C1 είναι αρκετά διφορούμενες, καθώς είναι απλώς μικρότερες από μια τιμή που βασίζεται στο C2. Το υπολόγισα ότι είναι μικρότερο ή ίσο με 22 nF, οπότε επέλεξα 10 nF. Το κύκλωμα λειτούργησε καλά και το σημείο -3 db ήταν πολύ κοντά στα 220 Hz, οπότε δεν θα ανησυχούσα πολύ για αυτό. Ξαναθυμηθείτε τη γωνιακή συχνότητα (wc) σε rad/s είναι ίση με τη συχνότητα διακοπής σε Hz (fc) * 2pi.

• Περιορισμοί σχεδιασμού

  • Κ (κέρδος) = 1
  • β = 1
  • α = 1,4142
  • Συχνότητα διακοπής - 220 Hz

Η συχνότητα διακοπής των 220 Hz φαινόταν λίγο υψηλή. Αν το ξανακάνω αυτό, πιθανότατα θα το έκανα πιο κοντά στα 100 Hz, ή ακόμα θα έκανα μπέρδεμα με χαμηλής διέλευσης υψηλότερης τάξης με διακοπή 50 Hz. Σας ενθαρρύνω να δοκιμάσετε διαφορετικές τιμές και Σχήματα!

Βήμα 5: Συνδέστε τον ενισχυτή οργάνων, το φίλτρο εγκοπών και το φίλτρο χαμηλής διέλευσης

Τώρα, απλώς συνδέστε την έξοδο του ενισχυτή οργάνων στην είσοδο του φίλτρου εγκοπών. Στη συνέχεια, συνδέστε την έξοδο του φίλτρου εγκοπής στην είσοδο του φίλτρου χαμηλής διέλευσης.

Έχω προσθέσει επίσης πυκνωτές παράκαμψης από το τροφοδοτικό DC στη γείωση για την εξάλειψη κάποιου θορύβου. Αυτοί οι πυκνωτές θα πρέπει να έχουν την ίδια τιμή για κάθε Op-Amp και τουλάχιστον 0,1 uF, αλλά εκτός από αυτό, μη διστάσετε να χρησιμοποιήσετε οποιαδήποτε λογική τιμή.

Προσπάθησα να χρησιμοποιήσω ένα μικρό κύκλωμα φακέλου για να "εξομαλύνω" το θορυβώδες σήμα, αλλά δεν λειτούργησε όπως έπρεπε, και ήμουν χαμηλός στην ώρα, οπότε απέρριψα αυτήν την ιδέα και αντ 'αυτού χρησιμοποίησα ψηφιακή επεξεργασία. Αυτό θα ήταν ένα δροσερό επιπλέον βήμα αν είστε περίεργοι!

Βήμα 6: Ενεργοποιήστε το κύκλωμα, εισαγάγετε μια κυματομορφή και μετρήστε

Οδηγίες για την τροφοδοσία του κυκλώματος και τη λήψη μετρήσεων. Δεδομένου ότι ο εξοπλισμός του καθενός είναι διαφορετικός, δεν υπάρχει κανένας απλός τρόπος να σας πω πώς να εισάγετε και να μετράτε. Έδωσα βασικές οδηγίες εδώ. Ανατρέξτε στο προηγούμενο διάγραμμα για ένα παράδειγμα ρύθμισης.

1. Συνδέστε τη γεννήτρια λειτουργιών στον ενισχυτή οργάνων.

   • Θετικό κλιπ στο κάτω Op-Amp στο διάγραμμα ενισχυτή οργάνων
   • Αρνητικό κλιπ στο έδαφος.
   • Συντομεύστε την είσοδο του άνω Op-Amp στο διάγραμμα ενισχυτή οργάνων στη γείωση. Αυτό θα παρέχει μια αναφορά για το εισερχόμενο σήμα. (Στα βιολογικά σήματα, αυτή η είσοδος θα είναι ένα ηλεκτρόδιο με την πρόθεση να μειώσει τον θόρυβο κοινής λειτουργίας.)

2. Συνδέστε το θετικό κλιπ του παλμογράφου στην έξοδο στο τελικό στάδιο (έξοδος φίλτρου χαμηλής διέλευσης).

   • θετικό κλιπ για έξοδο στο τελικό στάδιο
   • αρνητικό κλιπ στο έδαφος
3. Συνδέστε το τροφοδοτικό DC στις ράγες, διασφαλίζοντας ότι κάθε είσοδος ισχύος Op-Amp είναι βραχυκυκλωμένο στη ράγα στην οποία αντιστοιχεί.

4. Συνδέστε τη γείωση του τροφοδοτικού DC στην υπόλοιπη κάτω ράγα, παρέχοντας ένα σήμα αναφοράς για εσάς.

   βραχυκυκλώστε τη γείωση της κάτω ράγας στην επάνω γείωση, η οποία θα σας επιτρέψει να καθαρίσετε το κύκλωμα

Ξεκινήστε να εισάγετε ένα κύμα και χρησιμοποιήστε τον παλμογράφο για να κάνετε μετρήσεις! Εάν το κύκλωμά σας λειτουργεί όπως προβλέπεται, θα πρέπει να βλέπετε κέρδος 100. Αυτό θα σήμαινε ότι η τάση αιχμής προς κορυφή πρέπει να είναι 2V για σήμα 20 mV. Εάν χρησιμοποιείτε γεννήτρια ως μια φανταχτερή καρδιακή κυματομορφή, δοκιμάστε να την εισαγάγετε.

Ανακατέψτε με συχνότητες και εισόδους για να διασφαλίσετε ότι το φίλτρο σας λειτουργεί σωστά. Δοκιμάστε να δοκιμάσετε κάθε στάδιο ξεχωριστά και, στη συνέχεια, δοκιμάστε το κύκλωμα στο σύνολό του. Έχω επισυνάψει ένα δείγμα πειράματος όπου ανέλυσα τη λειτουργία του φίλτρου εγκοπών. Παρατήρησα επαρκή εξασθένηση από 59,5 Hz έως 60,5 Hz, αλλά θα προτιμούσα να είχα λίγο περισσότερη εξασθένηση στα σημεία 59,5 και 60,5 Hz. Παρ 'όλα αυτά, ο χρόνος ήταν ουσιαστικός, οπότε προχώρησα και σκέφτηκα ότι θα μπορούσα να αφαιρέσω τον θόρυβο ψηφιακά αργότερα. Ακολουθούν ορισμένες ερωτήσεις που θέλετε να λάβετε υπόψη για το κύκλωμά σας:

• Είναι το κέρδος 100;
• Ελέγξτε το κέρδος στα 220 Hz. Είναι -3 db ή κοντά σε αυτό;
• Ελέγξτε την εξασθένηση στα 60 Hz. Είναι αρκετά υψηλό; Παρέχει ακόμα κάποια εξασθένηση στα 60,5 και 59,5 Hz;
• Πόσο γρήγορα κυλά το φίλτρο σας από 220 Hz; Είναι -40 db/δεκαετία;
• Υπάρχει κάποιο ρεύμα που εισέρχεται σε οποιαδήποτε από τις εισόδους; Αν ναι, αυτό το κύκλωμα δεν είναι κατάλληλο για ανθρώπινη μέτρηση και πιθανότατα κάτι δεν πάει καλά με τον σχεδιασμό ή τα εξαρτήματά σας.

Εάν το κύκλωμα λειτουργεί όπως προορίζεται, τότε είστε έτοιμοι να προχωρήσετε! Εάν όχι, έχετε κάποια αντιμετώπιση προβλημάτων. Ελέγξτε την έξοδο κάθε σταδίου ξεχωριστά. Βεβαιωθείτε ότι τα Op-Amps σας λειτουργούν και λειτουργούν. Εξετάστε την τάση σε κάθε κόμβο μέχρι να βρείτε το πρόβλημα με το κύκλωμα.

Βήμα 7: Μέτρηση καρδιακού ρυθμού LabVIEW

Το LabVIEW θα μας επιτρέψει να μετρήσουμε τον καρδιακό ρυθμό χρησιμοποιώντας ένα λογικό μπλοκ διάγραμμα. Με δεδομένο περισσότερο χρόνο, θα προτιμούσα να ψηφιοποιήσω τα δεδομένα μόνος μου και να δημιουργήσω κώδικα που θα καθορίζει τον καρδιακό ρυθμό, καθώς δεν απαιτεί υπολογιστές με εγκατεστημένο το labVIEW και βαρύ πίνακα DAQ. Επιπλέον, οι αριθμητικές τιμές στο labVIEW δεν ήρθαν διαισθητικά. Παρ 'όλα αυτά, η εκμάθηση του labVIEW ήταν μια πολύτιμη εμπειρία, καθώς η χρήση της λογικής του block diagram είναι πολύ πιο εύκολη από το να χρειάζεται να κωδικοποιήσετε τη δική σας λογική.

Δεν υπάρχουν πολλά να πούμε για αυτήν την ενότητα. Συνδέστε την έξοδο του κυκλώματός σας στην πλακέτα DAQ και συνδέστε την πλακέτα DAQ στον υπολογιστή. Δημιουργήστε το κύκλωμα που εμφανίζεται στην παρακάτω εικόνα, πατήστε "εκτέλεση" και ξεκινήστε τη συλλογή δεδομένων! Βεβαιωθείτε ότι το κύκλωμά σας λαμβάνει κυματομορφή.

Μερικές σημαντικές ρυθμίσεις σε αυτό είναι:

• ένας ρυθμός δειγματοληψίας 500 Hz και ένα μέγεθος παραθύρου 2500 μονάδων σημαίνει ότι συλλέγουμε δεδομένα αξίας 5 δευτερολέπτων μέσα στο παράθυρο. Αυτό θα πρέπει να είναι αρκετό για να δείτε 4-5 καρδιακούς παλμούς σε ηρεμία και περισσότερο κατά τη διάρκεια της άσκησης.
• Η μέγιστη τιμή που ανιχνεύτηκε στο 0,9 ήταν αρκετή για την ανίχνευση του καρδιακού ρυθμού. Παρόλο που φαίνεται ότι ελέγχεται γραφικά, χρειάστηκε πολύς χρόνος για να φτάσει σε αυτήν την τιμή. Θα πρέπει να μπλέξετε με αυτό μέχρι να υπολογίσετε με ακρίβεια τους παλμούς της καρδιάς.
• Ένα πλάτος "5" φαινόταν να είναι αρκετό. Και πάλι, αυτή η τιμή διαστρεβλώθηκε και δεν φαινόταν να έχει διαισθητικό νόημα.
• Η αριθμητική είσοδος για τον υπολογισμό του καρδιακού ρυθμού χρησιμοποιεί μια τιμή 60. Κάθε φορά που υποδεικνύεται ένας καρδιακός παλμός, περνάει από το κύκλωμα χαμηλότερου επιπέδου και επιστρέφει ένα 1 κάθε φορά που η καρδιά χτυπά. Εάν διαιρέσουμε αυτόν τον αριθμό με 60, ουσιαστικά λέμε "διαιρέστε το 60 με τον αριθμό των παλμών που υπολογίζονται στο παράθυρο". Αυτό θα επιστρέψει τον καρδιακό σας ρυθμό, σε παλμούς/λεπτό.

Η συνημμένη εικόνα είναι του δικού μου καρδιακού παλμού στο labVIEW. Καθόρισε ότι η καρδιά μου χτυπούσε στα 82 BPM. Iμουν πολύ ενθουσιασμένος που επιτέλους λειτούργησε αυτό το κύκλωμα!

Βήμα 8: Ανθρώπινη μέτρηση

Εάν έχετε αποδείξει στον εαυτό σας ότι το κύκλωμά σας είναι ασφαλές και λειτουργικό, τότε μπορείτε να μετρήσετε τον δικό σας καρδιακό παλμό. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια μέτρησης 3Μ, τοποθετήστε τα στις ακόλουθες θέσεις και συνδέστε τα στο κύκλωμα. Οι ακροδέκτες καρπού πηγαίνουν στο εσωτερικό του καρπού σας, κατά προτίμηση εκεί που δεν υπάρχουν λίγα ή καθόλου μαλλιά. Το ηλεκτρόδιο γείωσης περνά στο οστέινο τμήμα του αστραγάλου σας. Χρησιμοποιώντας κλιπ αλιγάτορα, συνδέστε το θετικό καλώδιο στη θετική είσοδο, το αρνητικό καλώδιο στην αρνητική είσοδο και το ηλεκτρόδιο γείωσης στη ράγα γείωσης (δώστε μεγάλη προσοχή ότι δεν είναι η ράγα αρνητικής ισχύος).

Μια Τελευταία Επανάληψη Σημείωση: Δεν πρόκειται για ιατρική συσκευή. Αυτό χρησιμοποιείται για εκπαιδευτικούς σκοπούς μόνο χρησιμοποιώντας προσομοιωμένα σήματα. Εάν χρησιμοποιείτε αυτό το κύκλωμα για πραγματικές μετρήσεις ΗΚΓ, βεβαιωθείτε ότι το κύκλωμα και οι συνδέσεις κυκλώματος-οργάνου χρησιμοποιούν κατάλληλες τεχνικές απομόνωσης. Αναλαμβάνετε τον κίνδυνο τυχόν ζημίας που μπορεί να προκληθεί ».

Βεβαιωθείτε ότι ο παλμογράφος σας είναι σωστά συνδεδεμένος. Βεβαιωθείτε ότι δεν ρέει ρεύμα στον ενισχυτή λειτουργίας και ότι το ηλεκτρόδιο γείωσης είναι προσαρτημένο στη γείωση. Βεβαιωθείτε ότι τα μεγέθη των παραθύρων του παλμογράφου είναι σωστά. Παρατήρησα ένα σύμπλεγμα QRS περίπου 60 mV και χρησιμοποίησα ένα παράθυρο 5s. Συνδέστε τα κλιπ αλιγάτορα στα αντίστοιχα θετικά, αρνητικά και γείωση των ηλεκτροδίων τους. Θα πρέπει να αρχίσετε να βλέπετε μια κυματομορφή ΗΚΓ μετά από μερικά δευτερόλεπτα. Χαλαρώστε; μην κάνετε καμία κίνηση καθώς το φίλτρο μπορεί ακόμα να πάρει σήματα μυών.

Με σωστή ρύθμιση κυκλώματος, θα πρέπει να βλέπετε κάτι τέτοιο σε προηγούμενο βήμα! Αυτό είναι το δικό σας σήμα ΗΚΓ. Στη συνέχεια θα αγγίξω την επεξεργασία.

ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Θα δείτε διαφορετικές ρυθμίσεις ΗΚΓ 3 ηλεκτροδίων στο διαδίκτυο. Αυτά θα λειτουργούσαν επίσης, αλλά μπορεί να δίνουν ανεστραμμένες κυματομορφές. Με τον τρόπο ρύθμισης του διαφορικού ενισχυτή σε αυτό το κύκλωμα, αυτή η διαμόρφωση ηλεκτροδίων παρέχει μια παραδοσιακή θετική-QRS σύνθετη κυματομορφή.

Βήμα 9: Επεξεργασία σήματος

Έτσι έχετε κολλήσει στον παλμογράφο και μπορείτε να δείτε το σύμπλεγμα QRS, αλλά το σήμα εξακολουθεί να φαίνεται θορυβώδες. Πιθανώς κάτι σαν την πρώτη εικόνα σε αυτήν την ενότητα. Αυτό είναι φυσιολογικό. Χρησιμοποιούμε ένα κύκλωμα σε έναν ανοιχτό πίνακα ψωμιού, με ένα σωρό ηλεκτρικά εξαρτήματα που λειτουργούν βασικά ως μικρές κεραίες. Τα τροφοδοτικά DC είναι πολύ θορυβώδη και δεν υπάρχει θωράκιση RF. Φυσικά το σήμα θα είναι θορυβώδες. Έκανα μια σύντομη προσπάθεια να χρησιμοποιήσω ένα κύκλωμα ανίχνευσης φακέλων, αλλά έμεινε χωρίς χρόνο. Είναι εύκολο να το κάνετε αυτό ψηφιακά, όμως! Απλώς πάρτε έναν κινητό μέσο όρο. Η μόνη διαφορά μεταξύ του γκρι/μπλε γραφήματος και του μαύρου/πράσινου γραφήματος είναι ότι το μαύρο/πράσινο γράφημα χρησιμοποιεί έναν κινητό μέσο όρο τάσης σε ένα παράθυρο 3 ms. Αυτό είναι ένα τόσο μικρό παράθυρο σε σύγκριση με το χρόνο μεταξύ των παλμών, αλλά κάνει το σήμα να φαίνεται τόσο πιο ομαλό.

Βήμα 10: Επόμενα βήματα;

Αυτό το έργο ήταν υπέροχο, αλλά κάτι μπορεί πάντα να γίνει καλύτερα. Εδώ είναι μερικές από τις σκέψεις μου. Μη διστάσετε να αφήσετε το δικό σας παρακάτω!

• Χρησιμοποιήστε χαμηλότερη συχνότητα διακοπής. Αυτό θα πρέπει να εξαλείψει μέρος του θορύβου που υπάρχει στο κύκλωμα. Maybeσως ακόμη και να παίζετε χρησιμοποιώντας απλά ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης με απότομο ρολό.
• Συγκολλήστε τα εξαρτήματα και δημιουργήστε κάτι μόνιμο. Αυτό θα μειώσει τον θόρυβο, το ψυχρότερο και ασφαλέστερο.
• Digηφιοποιήστε το σήμα και βγάλτε το μόνοι σας, εξαλείφοντας την ανάγκη για έναν πίνακα DAQ και επιτρέποντάς σας να γράψετε κώδικα που θα καθορίσει τον καρδιακό παλμό για εσάς αντί να χρειαστεί να χρησιμοποιήσετε το LabVIEW. Αυτό θα επιτρέψει στον καθημερινό χρήστη να ανιχνεύσει τους καρδιακούς παλμούς χωρίς να απαιτεί ένα ισχυρό πρόγραμμα.

Μελλοντικά έργα;

• Δημιουργήστε μια συσκευή που θα εμφανίζει την είσοδο απευθείας σε μια οθόνη (χμμμμ βατόμουρο πι και έργο οθόνης;)
• Χρησιμοποιήστε εξαρτήματα που θα κάνουν το κύκλωμα μικρότερο.
• Δημιουργήστε ένα φορητό ΗΚΓ all-in-one με οθόνη και ανίχνευση καρδιακών παλμών.

Αυτό ολοκληρώνει το διδακτικό! Ευχαριστούμε που το διαβάσατε. Παρακαλούμε αφήστε τυχόν σκέψεις ή προτάσεις παρακάτω.