Digitalηφιακό ΗΚΓ και Έλεγχος καρδιακού ρυθμού: 8 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 ισχύ μπαταρίας και άλλες κατάλληλες τεχνικές απομόνωσης

Το ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ) καταγράφει ηλεκτρικά σήματα κατά τη διάρκεια του καρδιακού κύκλου. Κάθε φορά που η καρδιά χτυπά, υπάρχει ένας κύκλος εκπόλωσης και υπερπόλωσης των κυττάρων του μυοκαρδίου. Η εκπόλωση και η υπερπόλωση μπορεί να καταγραφεί με ηλεκτρόδια και οι γιατροί διαβάζουν αυτές τις πληροφορίες για να μάθουν περισσότερα για το πώς λειτουργεί η καρδιά. Ένα ΗΚΓ μπορεί να καθορίσει έμφραγμα του μυοκαρδίου, κολπική ή κοιλιακή μαρμαρυγή, ταχυκαρδία και βραδυκαρδία [1]. Αφού προσδιορίσουν ποιο είναι το πρόβλημα από το ΗΚΓ, οι γιατροί μπορούν να διαγνώσουν και να θεραπεύσουν με επιτυχία τον ασθενή. Ακολουθήστε τα παρακάτω βήματα για να μάθετε πώς να φτιάξετε τη δική σας συσκευή εγγραφής ηλεκτροκαρδιογραφήματος!

Βήμα 1: Υλικά

Στοιχεία κυκλώματος:

• Πέντε λειτουργικοί ενισχυτές UA741
• Αντιστάσεις
• Πυκνωτές
• Καλώδια βραχυκυκλωτήρων
• Πίνακας DAQ
• Λογισμικό LabVIEW

Εξοπλισμός δοκιμών:

• Γεννήτρια συναρτήσεων
• Τροφοδοτικό DC
• Παλμοσκόπιο
• Καλώδια BNC και T-splitter
• Καλώδια βραχυκύκλωσης
• Κλιπ αλιγάτορα
• Βύσματα μπανάνας

Βήμα 2: Ενισχυτής οργάνων

Το πρώτο στάδιο του κυκλώματος είναι ένας ενισχυτής οργάνων. Αυτό ενισχύει το βιολογικό σήμα έτσι ώστε να διακρίνονται τα διαφορετικά συστατικά του ΗΚΓ.

Το διάγραμμα κυκλώματος για τον ενισχυτή οργάνων φαίνεται παραπάνω. Το κέρδος πρώτου σταδίου αυτού του κυκλώματος ορίζεται ως K1 = 1 + 2*R2 / R1. Το κέρδος δεύτερου σταδίου του κυκλώματος ορίζεται ως K2 = R4 / R3. Το συνολικό κέρδος του ενισχυτή οργάνων είναι Κ1 * Κ2. Το επιθυμητό κέρδος για αυτό το έργο ήταν περίπου 1000, οπότε το Κ1 επιλέχθηκε 31 και το Κ2 το 33. Οι τιμές αντίστασης για αυτά τα κέρδη φαίνονται παραπάνω στο διάγραμμα κυκλώματος. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τις τιμές αντίστασης που εμφανίζονται παραπάνω ή μπορείτε να τροποποιήσετε τις τιμές για να ικανοποιήσετε το επιθυμητό κέρδος. **

Αφού επιλέξετε τις τιμές των συστατικών σας, το κύκλωμα μπορεί να κατασκευαστεί στον πίνακα ψωμιού. Για να απλοποιηθούν οι συνδέσεις κυκλώματος στο σανίδι, η αρνητική οριζόντια ράγα στην κορυφή ορίστηκε ως έδαφος ενώ οι δύο οριζόντιες ράγες στο κάτω μέρος ήταν +/- 15V αντίστοιχα.

Ο πρώτος ενισχυτής op τοποθετήθηκε στην αριστερή πλευρά του breadboard προκειμένου να αφήσει χώρο για όλα τα υπόλοιπα εξαρτήματα. Τα συνημμένα προστέθηκαν με χρονολογική σειρά των ακίδων. Αυτό διευκολύνει την παρακολούθηση των κομματιών που έχουν προστεθεί ή όχι. Μόλις ολοκληρωθούν όλες οι ακίδες για το ενισχυτή 1, μπορεί να τοποθετηθεί ο επόμενος ενισχυτής op. Και πάλι, βεβαιωθείτε ότι είναι σχετικά κοντά για να αφήσετε χώρο. Η ίδια διαδικασία χρονολογικής καρφίτσας ολοκληρώθηκε για όλους τους ενισχυτές op μέχρι να ολοκληρωθεί ο ενισχυτής οργάνων.

Οι πυκνωτές παράκαμψης στη συνέχεια προστέθηκαν επιπλέον στο διάγραμμα κυκλώματος για να απαλλαγούμε από τη σύνδεση AC στα καλώδια. Αυτοί οι πυκνωτές τοποθετήθηκαν παράλληλα με την παροχή τάσης DC και γειώθηκαν στην άνω οριζόντια αρνητική ράγα. Αυτοί οι πυκνωτές πρέπει να είναι της τάξης του 0,1 έως 1 microFarad. Κάθε ενισχυτής λειτουργίας έχει δύο πυκνωτές παράκαμψης, έναν για τον πείρο 4 και έναν για τον πείρο 7. Οι δύο πυκνωτές σε κάθε ενισχυτή πρέπει να έχουν την ίδια τιμή, αλλά μπορεί να διαφέρουν από ενισχυτή σε ενισχυτή.

Για να δοκιμαστεί η ενίσχυση, μια γεννήτρια λειτουργιών και ένα παλμογράφο συνδέθηκαν η είσοδος και η έξοδος του ενισχυτή αντίστοιχα. Το σήμα εισόδου συνδέθηκε επίσης με τον παλμογράφο. Ένα απλό ημιτονοειδές κύμα χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της ενίσχυσης. Εισάγετε την έξοδο της γεννήτριας λειτουργίας στους δύο ακροδέκτες εισόδου του ενισχυτή οργάνων. Ρυθμίστε το παλμογράφο για να μετρήσετε την αναλογία του σήματος εξόδου προς το σήμα εισόδου. Το κέρδος ενός κυκλώματος σε ντεσιμπέλ είναι Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). Για κέρδος 1000, το κέρδος σε ντεσιμπέλ είναι 60dB. Χρησιμοποιώντας τον παλμογράφο, μπορείτε να καθορίσετε εάν το κέρδος του κατασκευασμένου κυκλώματος πληροί τις προδιαγραφές σας ή εάν πρέπει να αλλάξετε ορισμένες τιμές αντίστασης για να βελτιώσετε το κύκλωμά σας.

Μόλις ο ενισχυτής οργάνων συναρμολογηθεί και λειτουργεί σωστά, μπορείτε να προχωρήσετε στο φίλτρο εγκοπής.

** Στο παραπάνω διάγραμμα κυκλώματος, R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Βήμα 3: Φίλτρο εγκοπών

Ο σκοπός του φίλτρου εγκοπών είναι να αφαιρέσει τον θόρυβο από την τροφοδοσία τοίχου 60 Hz. Ένα φίλτρο εγκοπών εξασθενεί το σήμα στη συχνότητα διακοπής και περνά συχνότητες πάνω και κάτω από αυτό. Για αυτό το κύκλωμα, η επιθυμητή συχνότητα διακοπής είναι 60 Hz.

Οι κυρίαρχες εξισώσεις για το διάγραμμα κυκλώματος που φαίνεται παραπάνω είναι R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) και R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), όπου Το Q είναι συντελεστής ποιότητας και το w είναι 2 * pi * (συχνότητα διακοπής). Ένας συντελεστής ποιότητας 8 δίνει τιμές αντίστασης και πυκνωτή σε ένα λογικό εύρος. Οι τιμές των πυκνωτών μπορούν να θεωρηθούν ότι είναι όλες ίδιες. Έτσι, μπορείτε να επιλέξετε μια τιμή πυκνωτή διαθέσιμη στα κιτ σας. Οι τιμές αντίστασης που φαίνονται στο παραπάνω κύκλωμα είναι για συχνότητα διακοπής 60 Hz, συντελεστή ποιότητας 8 και τιμή πυκνωτή 0,22 uF.

Δεδομένου ότι οι πυκνωτές προσθέτουν παράλληλα, δύο πυκνωτές της επιλεγμένης τιμής C τοποθετήθηκαν παράλληλα για να επιτευχθεί μια τιμή 2C. Επίσης, προστέθηκαν πυκνωτές παράκαμψης στον ενισχυτή λειτουργίας.

Για να δοκιμάσετε το φίλτρο εγκοπών, συνδέστε την έξοδο από τη γεννήτρια λειτουργιών στην είσοδο του φίλτρου εγκοπών. Παρατηρήστε την είσοδο και την έξοδο του κυκλώματος σε έναν παλμογράφο. Για να έχετε ένα αποτελεσματικό φίλτρο εγκοπών, θα πρέπει να έχετε κέρδος μικρότερο ή ίσο με -20dB στη συχνότητα διακοπής. Δεδομένου ότι τα εξαρτήματα δεν είναι ιδανικά, αυτό μπορεί να είναι δύσκολο να επιτευχθεί. Οι υπολογισμένες τιμές αντίστασης και πυκνωτή μπορεί να μην σας δώσουν το επιθυμητό κέρδος. Αυτό θα απαιτήσει από εσάς να κάνετε αλλαγές στις τιμές αντίστασης και πυκνωτή.

Για να το κάνετε αυτό, εστιάστε σε ένα στοιχείο κάθε φορά. Αυξήστε και μειώστε την τιμή ενός μεμονωμένου στοιχείου χωρίς να αλλάξετε κανένα άλλο. Παρατηρήστε τις επιδράσεις που έχει αυτό στο κέρδος του κυκλώματος. Αυτό μπορεί να απαιτεί πολλή υπομονή για να επιτευχθεί το επιθυμητό κέρδος. Θυμηθείτε, μπορείτε να προσθέσετε αντιστάσεις σε σειρά για να αυξήσετε ή να μειώσετε τις τιμές αντιστάσεων. Η αλλαγή που βελτίωσε περισσότερο το κέρδος μας ήταν να αυξήσουμε έναν από τους πυκνωτές στα 0,33 uF.

Βήμα 4: Φίλτρο χαμηλής διέλευσης

Το φίλτρο χαμηλής διέλευσης αφαιρεί θόρυβο υψηλότερης συχνότητας που μπορεί να επηρεάσει το σήμα ΗΚΓ. Μια χαμηλή διέλευση 40 Hz είναι αρκετή για να συλλάβει πληροφορίες κυματομορφής ΗΚΓ. Ωστόσο, ορισμένα συστατικά του ΗΚΓ υπερβαίνουν τα 40 Hz. Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί διακοπή 100 Hz ή 150 Hz [2].

Το φίλτρο χαμηλής διέλευσης που κατασκευάστηκε είναι φίλτρο Butterworth δεύτερης τάξης. Δεδομένου ότι το κέρδος του κυκλώματός μας καθορίζεται από τον ενισχυτή οργάνων, θέλουμε κέρδος 1 εντός της ζώνης για το φίλτρο χαμηλής διέλευσης. Για κέρδος 1, η RA βραχυκυκλώνεται και η RB είναι ανοικτή σε διάγραμμα κυκλώματος παραπάνω [3]. Στο κύκλωμα, C1 = 10 / (fc) uF, όπου fc είναι η συχνότητα διακοπής. Το C1 πρέπει να είναι μικρότερο ή ίσο με C2 * a^2 / (4 * b). Για ένα φίλτρο Butterworth δεύτερης τάξης, a = sqrt (2) και b = 1. Συνδέοντας τιμές για τα a και b, η εξίσωση για C2 απλοποιείται σε μικρότερη ή ίση με C1 / 2. Στη συνέχεια R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a^2 * C2^2 - 4 * b * C1 * C2))] και R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), όπου w = 2 * pi * fc Οι υπολογισμοί για αυτό το κύκλωμα ολοκληρώθηκαν προκειμένου να παρέχεται διακοπή 40Hz. Οι τιμές αντίστασης και πυκνωτή που πληρούν αυτές τις προδιαγραφές φαίνονται στο παραπάνω διάγραμμα κυκλώματος.

Ο ενισχυτής op τοποθετήθηκε στη δεξιά πλευρά του breadboard αφού δεν θα προστεθούν άλλα εξαρτήματα μετά από αυτό. Οι αντιστάσεις και οι πυκνωτές προστέθηκαν στον ενισχυτή op προκειμένου να ολοκληρωθεί το κύκλωμα. Οι πυκνωτές παράκαμψης προστέθηκαν επίσης στον ενισχυτή λειτουργίας. Το τερματικό εισόδου έμεινε κενό, αφού η είσοδος θα προέλθει από το σήμα εξόδου του φίλτρου εγκοπής. Ωστόσο, για σκοπούς δοκιμής, τοποθετήθηκε ένα σύρμα στον πείρο εισόδου για να μπορέσει να απομονωθεί το φίλτρο χαμηλής διέλευσης και να το δοκιμάσει ξεχωριστά.

Ένα ημιτονοειδές κύμα από τη γεννήτρια συνάρτησης χρησιμοποιήθηκε ως σήμα εισόδου και παρατηρήθηκε σε διαφορετικές συχνότητες. Παρατηρήστε τα σήματα εισόδου και εξόδου σε έναν παλμογράφο και προσδιορίστε το κέρδος του κυκλώματος σε διαφορετικές συχνότητες. Για ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης, το κέρδος στη συχνότητα διακοπής πρέπει να είναι -3db. Για αυτό το κύκλωμα, η διακοπή πρέπει να γίνει στα 40 Hz. Οι συχνότητες κάτω των 40Hz θα πρέπει να έχουν μικρή έως καθόλου εξασθένηση της κυματομορφής τους, αλλά καθώς η συχνότητα αυξάνεται πάνω από τα 40 Hz, το κέρδος θα πρέπει να συνεχίσει να κυλά.

Βήμα 5: Συναρμολόγηση σταδίων κυκλώματος

Αφού κατασκευάσετε κάθε στάδιο του κυκλώματος και τα δοκιμάσετε ανεξάρτητα, μπορείτε να τα συνδέσετε όλα. Η έξοδος του ενισχυτή οργάνων πρέπει να συνδεθεί με την είσοδο του φίλτρου εγκοπής. Η έξοδος του φίλτρου εγκοπής πρέπει να συνδεθεί με την είσοδο του φίλτρου χαμηλής διέλευσης.

Για να ελέγξετε το κύκλωμα, συνδέστε την είσοδο της γεννήτριας λειτουργίας στην είσοδο του σταδίου του ενισχυτή οργάνων. Παρατηρήστε την είσοδο και την έξοδο του κυκλώματος σε έναν παλμογράφο. Μπορείτε να δοκιμάσετε με ένα προγραμματισμένο κύμα ΗΚΓ από τη γεννήτρια συνάρτησης ή με ένα ημιτονοειδές κύμα και να παρατηρήσετε τις επιδράσεις του κυκλώματός σας. Στην παραπάνω εικόνα παλμογράφου, η κίτρινη καμπύλη είναι η κυματομορφή εισόδου και η πράσινη καμπύλη είναι η έξοδος.

Αφού συνδέσετε όλα τα στάδια του κυκλώματός σας και αποδείξετε ότι λειτουργεί σωστά, μπορείτε να συνδέσετε την έξοδο του κυκλώματός σας στην πλακέτα DAQ και να ξεκινήσετε τον προγραμματισμό στο LabVIEW.

Βήμα 6: Πρόγραμμα LabVIEW

Ο κώδικας LabVIEW είναι για τον εντοπισμό των παλμών ανά μέτρο από ένα προσομοιωμένο κύμα ΗΚΓ σε διαφορετικές συχνότητες. Για να προγραμματίσετε στο LabVIEW πρέπει πρώτα να προσδιορίσετε όλα τα στοιχεία. Ένας αναλογικός σε ψηφιακός μετατροπέας, γνωστός και ως πίνακας λήψης δεδομένων (DAQ), πρέπει να ρυθμιστεί και να ρυθμιστεί για συνεχή λειτουργία. Το σήμα εξόδου από το κύκλωμα συνδέεται με την είσοδο της πλακέτας DAQ. Το γράφημα κυματομορφής στο πρόγραμμα LabVIEW συνδέεται απευθείας με την έξοδο του βοηθού DAQ. Η έξοδος από τα δεδομένα DAQ πηγαίνει επίσης στο αναγνωριστικό max/min. Το σήμα περνά στη συνέχεια από έναν αριθμητικό τελεστή πολλαπλασιασμού. Ο αριθμητικός δείκτης 0,8 χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της τιμής κατωφλίου. Όταν το σήμα υπερβεί το 0,8*Μέγιστο, ανιχνεύεται μια κορυφή. Κάθε φορά που βρέθηκε αυτή η τιμή ήταν αποθηκευμένη στον πίνακα ευρετηρίου. Τα δύο σημεία δεδομένων αποθηκεύονται στον πίνακα ευρετηρίου και εισάγονται στον αριθμητικό τελεστή αφαίρεσης. Η αλλαγή του χρόνου βρέθηκε μεταξύ αυτών των δύο τιμών. Στη συνέχεια, για τον υπολογισμό του καρδιακού ρυθμού, το 60 διαιρείται με τη διαφορά ώρας. Ένας αριθμητικός δείκτης, ο οποίος εμφανίζεται δίπλα στο γράφημα εξόδου, εξάγει τον καρδιακό ρυθμό σε παλμούς ανά λεπτό (bpm) του σήματος εισόδου. Μόλις ρυθμιστεί το πρόγραμμα, θα πρέπει να τοποθετηθεί μέσα σε έναν συνεχόμενο βρόχο. Διαφορετικές εισόδους συχνότητας δίνουν διαφορετικές τιμές bpm.

Βήμα 7: Συλλέξτε δεδομένα ΗΚΓ

Τώρα μπορείτε να εισάγετε ένα προσομοιωμένο σήμα ΗΚΓ στο κύκλωμά σας και να καταγράψετε δεδομένα στο πρόγραμμα LabVIEW! Αλλάξτε τη συχνότητα και το πλάτος του προσομοιωμένου ΗΚΓ για να δείτε πώς αυτό επηρεάζει τα καταγεγραμμένα δεδομένα σας. Καθώς αλλάζετε συχνότητα, θα πρέπει να δείτε μια αλλαγή στον υπολογισμένο καρδιακό ρυθμό. Έχετε σχεδιάσει με επιτυχία ένα ΗΚΓ και ένα μόνιτορ καρδιακών παλμών!

Βήμα 8: Περαιτέρω βελτιώσεις

Η κατασκευασμένη συσκευή θα λειτουργήσει καλά για την απόκτηση προσομοιωμένων σημάτων ΗΚΓ. Ωστόσο, εάν θέλετε να καταγράψετε βιολογικά σήματα (βεβαιωθείτε ότι ακολουθείτε τις κατάλληλες προφυλάξεις ασφαλείας), θα πρέπει να γίνουν περαιτέρω τροποποιήσεις στα κυκλώματα για τη βελτίωση της ένδειξης του σήματος. Θα πρέπει να προστεθεί ένα φίλτρο υψηλής διέλευσης για την αφαίρεση των τεχνουργημάτων μετατόπισης DC και χαμηλής συχνότητας. Το κέρδος του ενισχυτή οργάνων πρέπει επίσης να μειωθεί κατά δέκα φορές για να παραμείνει εντός του εύρους που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το LabVIEW και τους ενισχυτές λειτουργίας.

Πηγές

[1] S. Meek and F. Morris, «Introduction. II-βασική ορολογία. », BMJ, τομ. 324, αρ. 7335, σελ. 470–3, Φεβρουάριος 2002.

[2] Chia-Hung Lin, Χαρακτηριστικά πεδίου συχνότητας για το ΗΚΓ νικήσουν τη διάκριση χρησιμοποιώντας γκρίζο ταξινομητή με βάση σχεσιακή ανάλυση, Σε υπολογιστές & μαθηματικά με εφαρμογές, τόμος 55, τεύχος 4, 2008, σελίδες 680-690, ISSN 0898-1221, [3] «Φίλτρο δεύτερης τάξης | Σχέδιο φίλτρου χαμηλής διέλευσης δεύτερης τάξης. » Βασικά μαθήματα ηλεκτρονικής, 9 Σεπτεμβρίου 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…