Φτιάξτε το δικό σας ΗΚΓ!: 10 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 καρδιακός παλμός αποτελείται από ρυθμικές συσπάσεις που ρυθμίζονται από την αυθόρμητη παρουσίαση ηλεκτρικών εκπόλωσης στα καρδιακά μυοκύτταρα (τα μυϊκά κύτταρα της καρδιάς). Μια τέτοια ηλεκτρική δραστηριότητα μπορεί να συλληφθεί τοποθετώντας μη επεμβατικά ηλεκτρόδια καταγραφής κατά μήκος διαφορετικών θέσεων του σώματος. Ακόμη και με μια εισαγωγική κατανόηση του κυκλώματος και της βιοηλεκτρικής ενέργειας, αυτά τα σήματα μπορούν να συλληφθούν με σχετική ευκολία. Σε αυτό το Instructable εισάγουμε μια απλοϊκή μεθοδολογία που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη λήψη ενός ηλεκτροκαρδιογραφικού σήματος με πρακτικό και φθηνό εξοπλισμό. Σε όλη τη διάρκεια, θα επισημάνουμε βασικές εκτιμήσεις για την απόκτηση τέτοιων σημάτων και θα παρουσιάσουμε τεχνικές για προγραμματική ανάλυση σήματος.

Βήμα 1: Επισκόπηση των δυνατοτήτων

Η συσκευή που χτίζετε θα λειτουργεί μέσω των ακόλουθων χαρακτηριστικών:

1. Ηχογραφήσεις ηλεκτροδίων
2. Ενισχυτής οργάνων
3. Φίλτρο εγκοπών
4. Φίλτρο χαμηλής διέλευσης
5. Μετατροπή σε αναλογική σε ψηφιακή
6. Ανάλυση σημάτων χρησιμοποιώντας το LabView

Μερικά βασικά συστατικά που θα χρειαστείτε:

1. NI LabView
2. Πίνακας απόκτησης δεδομένων NI (για εισόδους στο LabView)
3. Τροφοδοσία DC (για τροφοδοσία λειτουργικών ενισχυτών)
4. Επιθέματα ηλεκτροδίων δέρματος για εγγραφή ηλεκτροδίων
5. OR γεννήτρια συναρτήσεων που μπορεί να δημιουργήσει προσομοιωμένο σήμα ΗΚΓ

Ας αρχίσουμε!

Βήμα 2: Σχεδιάστε ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης

Ένα φυσιολογικό ΗΚΓ περιέχει αναγνωρίσιμα χαρακτηριστικά στην κυματομορφή του σήματος που ονομάζεται κύμα Ρ, σύμπλεγμα QRS και κύμα Τ. Όλα τα χαρακτηριστικά του ΗΚΓ θα εμφανίζονται στο εύρος συχνοτήτων κάτω από 250 Hz και ως εκ τούτου, είναι σημαντικό να καταγράφονται μόνο τα χαρακτηριστικά που μας ενδιαφέρουν κατά την εγγραφή ενός ΗΚΓ από ηλεκτρόδια. Ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης με συχνότητα διακοπής 250 Hz θα διασφαλίσει ότι δεν λαμβάνεται θόρυβος υψηλής συχνότητας στο σήμα

Βήμα 3: Σχεδιάστε ένα φίλτρο εγκοπών

Ένα φίλτρο εγκοπής σε συχνότητα 60 Hz είναι χρήσιμο για την απομάκρυνση του θορύβου από οποιαδήποτε τροφοδοσία που σχετίζεται με την εγγραφή ΗΚΓ. Οι συχνότητες διακοπής μεταξύ 56,5 Hz και 64 Hz θα επιτρέψουν να περάσουν σήματα με συχνότητες εκτός αυτού του εύρους. Εφαρμόστηκε συντελεστής ποιότητας 8 στο φίλτρο. Επιλέχθηκε χωρητικότητα 0,1 uF. Οι πειραματικές αντιστάσεις επιλέχθηκαν ως εξής: R1 = R3 = 1,5 kOhms, R2 = 502 kOhms. Αυτές οι τιμές χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή του φίλτρου εγκοπών.

Βήμα 4: Σχεδιάστε έναν ενισχυτή οργάνων

Ένας ενισχυτής οργάνων με κέρδος 1000 V/V θα ενισχύσει όλα τα φιλτραρισμένα σήματα για να διευκολύνει τη μέτρηση. Ο ενισχυτής χρησιμοποιεί μια σειρά λειτουργικών ενισχυτών και χωρίζεται σε δύο στάδια (αριστερά και δεξιά) με αντίστοιχο κέρδος Κ1 και Κ2. Η παραπάνω εικόνα εμφανίζει ένα σχηματικό κύκλωμα που μπορεί να επιτύχει αυτό το αποτέλεσμα και το σχήμα 6 περιγράφει λεπτομερώς τους υπολογισμούς που έγιναν.

Βήμα 5: Συνδέστε τα όλα μαζί

Τα τρία στάδια ενίσχυσης και φιλτραρίσματος συνδυάζονται στο σχήμα 7 παρακάτω. Ο ενισχυτής οργάνων ενισχύει την είσοδο ημιτονοειδούς συχνότητας με κέρδος 1000V/V. Στη συνέχεια, το φίλτρο εγκοπών αφαιρεί όλη τη συχνότητα σήματος των 60 Hz με συντελεστή ποιότητας 8. Τέλος, το σήμα περνά μέσα από ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης που εξασθενεί τα σήματα πέρα από μια συχνότητα 250 Hz. Το παραπάνω σχήμα εμφανίζει το πλήρες σύστημα που δημιουργήθηκε πειραματικά.

Βήμα 6:… και βεβαιωθείτε ότι λειτουργεί

Εάν έχετε γεννήτρια συναρτήσεων, θα πρέπει να κατασκευάσετε μια καμπύλη απόκρισης συχνότητας για να διασφαλίσετε μια σωστή απόκριση. Η παραπάνω εικόνα δείχνει το πλήρες σύστημα και την καμπύλη απόκρισης συχνότητας που πρέπει να περιμένετε. Εάν το σύστημά σας φαίνεται να λειτουργεί, τότε είστε έτοιμοι να προχωρήσετε στο επόμενο βήμα: τη μετατροπή του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό!

Βήμα 7: (Προαιρετικό) Οραματιστείτε το ΗΚΓ σας στο παλμογράφο

Το ΗΚΓ καταγράφει ένα σήμα με δύο ηλεκτρόδια και χρησιμοποιεί ένα τρίτο ηλεκτρόδιο ως γείωση. Με τα ηλεκτρόδια εγγραφής ΗΚΓ, εισάγετε το ένα στη μία είσοδο του ενισχυτή οργάνων, το άλλο στην άλλη είσοδο ενισχυτή οργάνων και συνδέστε το τρίτο στη γείωση στο ψωμί σας. Στη συνέχεια, τοποθετήστε το ένα ηλεκτρόδιο στον έναν καρπό, το άλλο στον άλλο καρπό και γειώστε τον αστράγαλο. Αυτή είναι μια διαμόρφωση Lead 1 για ΗΚΓ. Για να απεικονίσετε το σήμα στον παλμογράφο σας, χρησιμοποιήστε έναν αισθητήρα παλμογράφου για να μετρήσετε την έξοδο του τρίτου σταδίου σας.

Βήμα 8: Απόκτηση δεδομένων με το National Instruments DAQ

Εάν θέλετε να αναλύσετε το σήμα σας στο LabView, θα χρειαστείτε κάποιο τρόπο να συλλέξετε αναλογικά δεδομένα από το ΗΚΓ και να τα μεταφέρετε στον υπολογιστή. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι απόκτησης δεδομένων! Η National Instruments είναι μια εταιρεία που ειδικεύεται σε συσκευές απόκτησης δεδομένων και συσκευές ανάλυσης δεδομένων. Είναι ένα καλό μέρος για να αναζητήσετε εργαλεία για τη συλλογή δεδομένων. Μπορείτε επίσης να αγοράσετε το δικό σας φθηνό τσιπ μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό και να χρησιμοποιήσετε ένα Raspberry Pi για τη μετάδοση του σήματος σας! Αυτή είναι μάλλον η φθηνότερη επιλογή. Σε αυτήν την περίπτωση, είχαμε ήδη μια μονάδα NI DAQ, ένα NI ADC και LabView στο σπίτι, οπότε κολλήσαμε με αυστηρά το υλικό και το λογισμικό των National Instruments.

Βήμα 9: Εισαγωγή δεδομένων στο LabVIEW

Η οπτική γλώσσα προγραμματισμού LabVIEW χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση δεδομένων που συλλέχθηκαν από το αναλογικό σύστημα ενίσχυσης/φιλτραρίσματος. Τα δεδομένα συλλέχθηκαν από τη μονάδα NI DAQ με το DAQ Assistant, μια ενσωματωμένη λειτουργία συλλογής δεδομένων στο LabVIEW. Χρησιμοποιώντας τα χειριστήρια LabView, ο αριθμός των δειγμάτων και η διάρκεια της συλλογής του δείγματος καθορίστηκαν προγραμματικά. Τα χειριστήρια είναι χειροκίνητα ρυθμιζόμενα, επιτρέποντας στο χρήστη να ρυθμίζει με ευκολία τις παραμέτρους εισόδου. Με τον συνολικό αριθμό δειγμάτων και τη διάρκεια χρόνου γνωστό, δημιουργήθηκε ένα χρονικό διάνυσμα με κάθε τιμή δείκτη να αντιπροσωπεύει τον αντίστοιχο χρόνο σε κάθε δείγμα στο σήμα που έχει ληφθεί.

Βήμα 10: Μορφοποιήστε, αναλύστε και τελειώσατε

Τα δεδομένα από τη λειτουργία βοηθού DAQ μετατράπηκαν σε χρήσιμη μορφή. Το σήμα αναδημιουργήθηκε ως 1D πίνακας διπλών μετατρέποντας πρώτα τον τύπο δεδομένων εξόδου DAQ σε έναν τύπο δεδομένων κυματομορφής και στη συνέχεια μετατρέποντας σε ένα (X, Y) ζεύγος συμπλέγματος διπλών. Κάθε τιμή Υ από το ζεύγος (Χ, Υ) επιλέχθηκε και εισήχθη σε έναν αρχικά κενό πίνακα 1D διπλών με τη βοήθεια μιας δομής βρόχου. Ο πίνακας 1D των διπλών και του αντίστοιχου διανύσματος χρόνου σχεδιάστηκε σε ένα γράφημα XY. Ταυτόχρονα, η μέγιστη τιμή του πίνακα 1D των διπλών ταυτοποιήθηκε με μια συνάρτηση αναγνώρισης μέγιστης τιμής. Τα έξι δέκατα της μέγιστης τιμής χρησιμοποιήθηκαν ως κατώφλι για έναν αλγόριθμο ανίχνευσης αιχμής που είναι ενσωματωμένος στο LabView. Οι κορυφαίες τιμές της συστοιχίας 1D των διπλών ταυτοποιήθηκαν με τη λειτουργία ανίχνευσης αιχμής. Με γνωστές τις θέσεις αιχμής, υπολογίστηκε η χρονική διαφορά μεταξύ κάθε αιχμής. Αυτή η χρονική διαφορά, σε μονάδες δευτερολέπτων ανά αιχμή, μετατράπηκε σε κορυφές ανά λεπτό. Η προκύπτουσα τιμή θεωρήθηκε ότι αντιπροσωπεύει τον καρδιακό ρυθμό σε παλμούς ανά λεπτό.

Αυτό είναι! Τώρα έχετε συλλέξει και αναλύσει ένα σήμα ΗΚΓ!