Σχεδιασμός ψηφιακής οθόνης και κυκλώματος ΗΚΓ: 5 βήματα

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

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

Ο στόχος αυτού του έργου είναι η κατασκευή ενός κυκλώματος που μπορεί να ενισχύσει και να φιλτράρει ένα σήμα ΗΚΓ, γνωστό και ως ηλεκτροκαρδιογράφημα. Ένα ΗΚΓ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό του καρδιακού ρυθμού και του καρδιακού ρυθμού, καθώς είναι σε θέση να ανιχνεύσει τα ηλεκτρικά σήματα που διέρχονται από διάφορα μέρη της καρδιάς κατά τη διάρκεια των διαφόρων σταδίων του καρδιακού κύκλου. Εδώ χρησιμοποιούμε έναν ενισχυτή οργάνων, ένα φίλτρο εγκοπής και ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης για να ενισχύσουμε και να φιλτράρουμε το ΗΚΓ. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας το LabView, υπολογίζονται οι ρυθμοί ανά λεπτό και εμφανίζεται μια γραφική αναπαράσταση του ΗΚΓ. Το τελικό προϊόν φαίνεται παραπάνω.

Βήμα 1: Ενισχυτής οργάνων

Το απαραίτητο κέρδος για τον ενισχυτή οργάνων είναι 1000 V/V. Αυτό θα επέτρεπε επαρκή ενίσχυση του εισερχόμενου σήματος που είναι πολύ μικρότερο. Ο ενισχυτής οργάνων χωρίζεται σε δύο μέρη, Στάδιο 1 και Στάδιο 2. Το κέρδος κάθε σταδίου (Κ) πρέπει να είναι παρόμοιο, έτσι ώστε όταν πολλαπλασιάζεται μαζί, το κέρδος να είναι περίπου 1000. Οι παρακάτω εξισώσεις χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό του κέρδους.

K1 = 1 + ((2*R2)/R1)

K2 = -R4/R3

Από αυτές τις εξισώσεις, βρέθηκαν οι τιμές των R1, R2, R3 και R4. Για την κατασκευή του κυκλώματος που φαίνεται στις εικόνες, χρησιμοποιήθηκαν τρεις λειτουργικοί ενισχυτές και αντιστάσεις uA741. Οι ενισχυτές τροφοδοτούνται με 15V από τροφοδοτικό DC. Η είσοδος του ενισχυτή οργάνων συνδέθηκε με μια γεννήτρια λειτουργιών και η έξοδος συνδέθηκε με ένα παλμογράφο. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε μια σάρωση εναλλασσόμενου ρεύματος και βρέθηκε το κέρδος του ενισχυτή οργάνων, όπως φαίνεται στην παραπάνω πλοκή "Κέρδος ενισχυτή οργάνων". Τέλος, το κύκλωμα αναδημιουργήθηκε στο LabView, όπου εκτελέστηκε μια προσομοίωση του κέρδους, όπως φαίνεται στο μαύρο διάγραμμα παραπάνω. Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν ότι το κύκλωμα λειτούργησε σωστά.

Βήμα 2: Φίλτρο εγκοπών

Το φίλτρο εγκοπής χρησιμοποιείται για την αφαίρεση θορύβου που εμφανίζεται στα 60 Hz. Οι τιμές των συστατικών μπορούν να υπολογιστούν χρησιμοποιώντας τις παρακάτω εξισώσεις. Χρησιμοποιήθηκε ένας συντελεστής ποιότητας (Q) 8. Το C επιλέχθηκε με βάση τους διαθέσιμους πυκνωτές.

R1 = 1/(2*Q*ω*C)

R2 = 2*Q/(ω*C)

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

Οι τιμές αντίστασης και πυκνωτή βρέθηκαν και το παραπάνω κύκλωμα κατασκευάστηκε, οι υπολογισμένες τιμές φαίνονται εκεί. Ο λειτουργικός ενισχυτής τροφοδοτείται από ένα τροφοδοτικό DC, με την είσοδο να συνδέεται με μια γεννήτρια λειτουργιών και την έξοδο σε έναν παλμογράφο. Η εκτέλεση εναλλαγής εναλλασσόμενου ρεύματος είχε ως αποτέλεσμα το διάγραμμα "Notch Filter AC Sweep" παραπάνω, δείχνοντας ότι μια συχνότητα 60 Hz είχε αφαιρεθεί. Για να επιβεβαιωθεί αυτό, εκτελέστηκε μια προσομοίωση LabView που επιβεβαίωσε τα αποτελέσματα.

Βήμα 3: Φίλτρο χαμηλής διέλευσης

Χρησιμοποιείται φίλτρο χαμηλής διέλευσης Butterworth δεύτερης τάξης, με συχνότητα διακοπής 250Hz. Για την επίλυση των τιμών αντίστασης και πυκνωτή, χρησιμοποιήθηκαν οι παρακάτω εξισώσεις. Για αυτές τις εξισώσεις, η συχνότητα διακοπής στο Hz άλλαξε σε rad/sec, η οποία βρέθηκε να είναι 1570,8. Χρησιμοποιήθηκε κέρδος K = 1. Οι τιμές για τα α και β παρέχονται ότι είναι 1,414214 και 1 αντίστοιχα.

R1 = 2 / (wc (a C2 + sqrt (a^2 + 4 b (K - 1)) C2^2 - 4 b C1 C2))

R2 = 1/ (b C1 C2 R1 wc^2)

R3 = K (R1 + R2) / (K - 1)

R4 = K (R1 + R2)

C1 = (C2 (a^2 + 4 b (K-1)) / (4 b)

C2 = (10 / fc)

Μόλις υπολογιστούν οι τιμές, το κύκλωμα κατασκευάστηκε με τις τιμές, οι οποίες φαίνονται σε μία από τις παραπάνω εικόνες. Πρέπει να σημειωθεί ότι από τη στιγμή που χρησιμοποιήθηκε κέρδος 1, το R3 αντικαταστάθηκε με ανοιχτό κύκλωμα και το R4 αντικαταστάθηκε με βραχυκύκλωμα. Μόλις συναρμολογηθεί το κύκλωμα, τότε ο ενισχυτής τροφοδοτείται με 15V από τροφοδοτικό DC. Παρόμοια με τα άλλα εξαρτήματα, η είσοδος και η έξοδος συνδέθηκαν με μια γεννήτρια λειτουργιών και ένα παλμογράφο αντίστοιχα. Δημιουργήθηκε μια πλοκή της σάρωσης AC, που φαίνεται στο "Low Pass Filter AC Sweep" παραπάνω. Το σχέδιο σε μαύρο χρώμα στην προσομοίωση LabView του κυκλώματος, επιβεβαιώνοντας τα αποτελέσματά μας.

Βήμα 4: LabVIEW

Το πρόγραμμα LabVIEW που εμφανίζεται στην εικόνα χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των παλμών ανά λεπτό και για την εμφάνιση μιας οπτικής αναπαράστασης του ΗΚΓ εισόδου. Ο βοηθός DAQ αποκτά το σήμα εισόδου και ορίζει τις παραμέτρους δειγματοληψίας. Στη συνέχεια, η γραφική παράσταση κυματομορφής απεικονίζει την είσοδο που λαμβάνει το DAQ στο UI για να εμφανιστεί στον χρήστη. Γίνονται πολλές αναλύσεις στα δεδομένα εισόδου. Οι μέγιστες τιμές των δεδομένων εισόδου εντοπίζονται χρησιμοποιώντας το Max/Min Identifier και οι παράμετροι για τον εντοπισμό κορυφών ορίζονται χρησιμοποιώντας Peak Detection. Χρησιμοποιώντας έναν πίνακα ευρετηρίου για τις θέσεις των κορυφών, το χρόνο μεταξύ των μέγιστων τιμών που δίνει το στοιχείο Change in Time και διάφορες αριθμητικές πράξεις, το BPM υπολογίζεται και εμφανίζεται ως η αριθμητική έξοδος.

Βήμα 5: Ολοκληρωμένο κύκλωμα

Μόλις συνδεθούν όλα τα εξαρτήματα, το πλήρες σύστημα δοκιμάστηκε με προσομοιωμένο σήμα ΗΚΓ. Στη συνέχεια, το κύκλωμα χρησιμοποιήθηκε για το φιλτράρισμα και την ενίσχυση ενός ανθρώπινου ΗΚΓ με τα αποτελέσματα που εμφανίζονται μέσω του προαναφερθέντος προγράμματος LabView. Ηλεκτρόδια ήταν προσαρτημένα στον δεξιό καρπό, στον αριστερό καρπό και στον αριστερό αστράγαλο. Ο αριστερός καρπός και ο δεξιός καρπός συνδέθηκαν με τις εισόδους του ενισχυτή οργάνων, ενώ ο αριστερός αστράγαλος συνδέθηκε με το έδαφος. Η έξοδος του φίλτρου χαμηλής διέλευσης συνδέθηκε στη συνέχεια με τον Βοηθό DAQ. Χρησιμοποιώντας το ίδιο διάγραμμα μπλοκ LabView από πριν, το πρόγραμμα εκτελέστηκε. Με το ανθρώπινο ΗΚΓ να περνάει, φάνηκε ένα σαφές και σταθερό σήμα από την έξοδο του πλήρους συστήματος, το οποίο φαίνεται στην παραπάνω εικόνα.