Καταγραφή βιοηλεκτρικών σημάτων: ΗΚΓ και Παρακολούθηση καρδιακού ρυθμού: 7 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.

Το ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ) είναι μια δοκιμή κατά την οποία τα ηλεκτρόδια επιφανείας τοποθετούνται σε ένα άτομο με συγκεκριμένο τρόπο για να ανιχνεύσουν και να μετρήσουν την ηλεκτρική δραστηριότητα της καρδιάς του ατόμου [1]. Το ΗΚΓ έχει πολλές χρήσεις και μπορεί να λειτουργήσει για να βοηθήσει στη διάγνωση καρδιακών παθήσεων, στα τεστ στρες και στην παρατήρηση κατά τη διάρκεια της χειρουργικής επέμβασης. Ένα ΗΚΓ μπορεί επίσης να ανιχνεύσει αλλαγές στους καρδιακούς παλμούς, αρρυθμίες, καρδιακή προσβολή και πολλές άλλες εμπειρίες και ασθένειες [1] που περιγράφονται επίσης στην παραπάνω δήλωση προβλήματος. Το καρδιακό σήμα που μετράται από ένα ΗΚΓ παράγει τρεις ξεχωριστές κυματομορφές που απεικονίζουν μια ζωντανή τροφοδοσία της λειτουργούσας καρδιάς. Αυτά φαίνονται στην παραπάνω εικόνα.

Ο στόχος αυτού του έργου είναι η δημιουργία μιας συσκευής που μπορεί να λάβει το σήμα ΗΚΓ από μια γεννήτρια εξόδου ή από έναν άνθρωπο και να αναπαράγει το σήμα, ενώ εξαλείφει τον θόρυβο. Η έξοδος του συστήματος θα υπολογίσει επίσης το BPM.

Ας αρχίσουμε!

Βήμα 1: Συγκεντρώστε όλα τα υλικά

Για να δημιουργήσουμε αυτό το ΗΚΓ, θα δημιουργήσουμε ένα σύστημα που αποτελείται από δύο κύρια μέρη, το κύκλωμα και το σύστημα LabVIEW. Ο σκοπός του κυκλώματος είναι να βεβαιωθούμε ότι λαμβάνουμε το σήμα που θέλουμε. Υπάρχει πολύς θόρυβος περιβάλλοντος που μπορεί να πνίξει το σήμα ΗΚΓ μας, οπότε πρέπει να ενισχύσουμε το σήμα μας καθώς και να φιλτράρουμε κάθε θόρυβο. Αφού το σήμα φιλτραριστεί και ενισχυθεί μέσω του κυκλώματος, μπορούμε να στείλουμε το εκλεπτυσμένο σήμα σε ένα πρόγραμμα LabVIEW το οποίο θα εμφανίζει την κυματομορφή καθώς και θα υπολογίζει το BPM. Τα ακόλουθα υλικά είναι απαραίτητα για αυτό το έργο:

-Αντίσταση, πυκνωτής και ενισχυτής λειτουργίας (χρησιμοποιήθηκαν οπ -ενισχυτές -χρησιμοποιήθηκαν UA741) ηλεκτρικά εξαρτήματα

-Χωρίς ψωμί για συγκόλληση και δοκιμή

-Τροφοδοτικό DC για παροχή ρεύματος σε ενισχυτές op

-Γεννήτρια λειτουργίας για την παροχή βιοηλεκτρικού σήματος

-Παλιοσκόπιο για προβολή σήματος εισόδου

-Πίνακας DAQ για τη μετατροπή σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό

-Λογισμικό LabVIEW για παρατήρηση σήματος εξόδου

-BNC και καλώδια μεταβλητού άκρου

Βήμα 2: Σχεδιάζοντας το κύκλωμα

Όπως μόλις συζητήσαμε, είναι απαραίτητο να φιλτράρουμε και να ενισχύσουμε το σήμα μας. Για να γίνει αυτό, μπορούμε να δημιουργήσουμε 3 διαφορετικά στάδια του κυκλώματός μας. Πρώτον, πρέπει να ενισχύσουμε το σήμα μας. Αυτό μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας έναν ενισχυτή οργάνων. Με αυτόν τον τρόπο, το σήμα εισόδου μας μπορεί να φανεί πολύ καλύτερα στο τελικό προϊόν. Στη συνέχεια, πρέπει να έχουμε ένα φίλτρο εγκοπής σε σειρά με αυτόν τον ενισχυτή οργάνων. Το φίλτρο εγκοπών θα χρησιμοποιηθεί για την εξάλειψη του θορύβου από την πηγή ενέργειας. Μετά από αυτό, μπορούμε να έχουμε ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης. Δεδομένου ότι οι μετρήσεις του ΗΚΓ είναι συνήθως χαμηλής συχνότητας, θέλουμε να κόψουμε όλες τις συχνότητες που βρίσκονται σε μια συχνότητα που είναι εκτός των ορίων ανάγνωσης του ΗΚΓ μας, οπότε χρησιμοποιούμε ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης. Αυτά τα στάδια εξηγούνται λεπτομερέστερα στα ακόλουθα βήματα.

Εάν αντιμετωπίζετε προβλήματα με το κύκλωμά σας, είναι καλύτερο να προσομοιώσετε το κύκλωμά σας σε ένα διαδικτυακό πρόγραμμα. Με αυτόν τον τρόπο, μπορείτε να ελέγξετε αν οι υπολογισμοί σας για τις τιμές αντίστασης και πυκνωτή είναι σωστοί.

Βήμα 3: Σχεδιάζοντας τον ενισχυτή οργάνων

Για να παρατηρήσετε το βιοηλεκτρικό σήμα πιο αποτελεσματικά, το σήμα πρέπει να ενισχυθεί. Για αυτό το έργο, το συνολικό κέρδος είναι 1000 V/V. Για να επιτευχθεί το καθορισμένο κέρδος από τον ενισχυτή οργάνων, οι τιμές αντίστασης για το κύκλωμα υπολογίστηκαν με τις ακόλουθες εξισώσεις:

(Στάδιο 1) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(Στάδιο 2) K2 = -R4 / R3

Όπου κάθε στάδιο πολλαπλασιάζεται για τον υπολογισμό του συνολικού κέρδους. Οι τιμές αντίστασης που επιλέγονται για να δημιουργηθεί κέρδος 1000 V/V είναι R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms και R4 = 330 kOhms. Χρησιμοποιήστε το τροφοδοτικό DC για να δώσετε εύρος τάσης +/- 15 V (διατηρώντας το όριο ρεύματος χαμηλό) για να τροφοδοτήσετε τους ενισχυτές λειτουργίας του φυσικού κυκλώματος. Εάν θέλετε να ελέγξετε τις πραγματικές τιμές των αντιστάσεων ή θέλετε να επιτύχετε αυτό το κέρδος πριν από την κατασκευή, μπορείτε να προσομοιώσετε το κύκλωμα χρησιμοποιώντας ένα πρόγραμμα όπως το PSpice ή το CircuitLab online ή να χρησιμοποιήσετε έναν παλμογράφο με μια δεδομένη τάση σήματος εισόδου και να ελέγξετε για το πραγματικό κέρδος μετά την κατασκευή ενός φυσικού ενισχυτή. Συνδέστε τη γεννήτρια λειτουργίας και τον παλμογράφο στον ενισχυτή για να τρέξει το κύκλωμα.

Η παραπάνω φωτογραφία απεικονίζει πώς μοιάζει το κύκλωμα στο λογισμικό προσομοίωσης PSpice. Για να ελέγξετε ότι το κύκλωμά σας λειτουργεί σωστά, τροφοδοτήστε ένα ημιτονοειδές κύμα από 1 kHz 10 mV από κορυφή σε κορυφή από τη γεννήτρια λειτουργίας, μέσω του κυκλώματος και στον παλμογράφο. Πρέπει να παρατηρηθεί ημιτονοειδές κύμα 10 V από κορυφή σε κορυφή στο παλμογράφο.

Βήμα 4: Σχεδιασμός του φίλτρου εγκοπών

Ένα συγκεκριμένο πρόβλημα κατά την αντιμετώπιση αυτού του κυκλώματος είναι το γεγονός ότι ένα σήμα θορύβου 60 Hz παράγεται από γραμμές τροφοδοσίας στις Ηνωμένες Πολιτείες. Για να αφαιρέσετε αυτόν τον θόρυβο, το σήμα εισόδου στο κύκλωμα πρέπει να φιλτραριστεί στα 60 Hz, και τι καλύτερος τρόπος για να το κάνετε αυτό από ένα φίλτρο εγκοπής!

Ένα φίλτρο εγκοπών (το κύκλωμα που απεικονίζεται παραπάνω) είναι ένας συγκεκριμένος τύπος ηλεκτρικού φίλτρου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αφαίρεση μιας συγκεκριμένης συχνότητας από ένα σήμα. Για να αφαιρέσουμε το σήμα των 60 Hz, υπολογίσαμε τις ακόλουθες εξισώσεις:

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

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

Q = w / B

Β = w2 - w1

Χρησιμοποιώντας έναν συντελεστή ποιότητας (Q) 8 για να σχεδιάσετε ένα αξιοπρεπώς ακριβές φίλτρο, μια χωρητικότητα (C) 0,033 uFarads για ευκολότερη συναρμολόγηση και μια κεντρική συχνότητα (w) 2 * pi * 60 Hz. Αυτό υπολόγισε επιτυχώς τις τιμές για τις αντιστάσεις R1 = 5,024 kOhms, R2 = 1,2861 MOhms και R3 = 5,004 kOhms και δημιούργησε με επιτυχία ένα φίλτρο για την αφαίρεση συχνότητας 60 Hz από το βιοηλεκτρικό σήμα εισόδου. Εάν θέλετε να ελέγξετε το φίλτρο, μπορείτε να προσομοιώσετε το κύκλωμα χρησιμοποιώντας ένα πρόγραμμα όπως το PSpice ή το CircuitLab online ή να χρησιμοποιήσετε έναν παλμογράφο με μια δεδομένη τάση σήματος εισόδου και να ελέγξετε για το αφαιρεθέν σήμα μετά την κατασκευή ενός φυσικού ενισχυτή. Συνδέστε τη γεννήτρια λειτουργίας και τον παλμογράφο στον ενισχυτή για να τρέξει το κύκλωμα.

Η εκτέλεση σάρωσης εναλλασσόμενου ρεύματος με αυτό το κύκλωμα σε εύρος συχνοτήτων από 1 Hz έως 1 kHz σε σήμα κορυφής σε κορυφή 1 V θα πρέπει να αποδίδει ένα χαρακτηριστικό τύπου "εγκοπής" στα 60 Hz στο διάγραμμα εξόδου, το οποίο αφαιρείται από την είσοδο σήμα.

Βήμα 5: Σχεδιάζοντας το φίλτρο Low Pass

Το τελικό στάδιο του κυκλώματος είναι το φίλτρο χαμηλής διέλευσης, συγκεκριμένα ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης Butterworth δεύτερης τάξης. Αυτό χρησιμοποιείται για την απομόνωση του σήματος ΗΚΓ μας. Οι κυματομορφές του ΗΚΓ είναι συνήθως εντός των ορίων συχνότητας από 0 έως ~ 100 Hz. Έτσι, υπολογίζουμε τις τιμές αντίστασης και πυκνωτή μας με βάση τη συχνότητα διακοπής των 100 Hz και έναν συντελεστή ποιότητας 8, που θα μας έδινε ένα σχετικά ακριβές φίλτρο.

R1 = 2/(w [aC2+sqrt (a2+4b (K-1))

C2^2-4b*C1*C2) R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

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

Οι τιμές που υπολογίσαμε κατέληξαν να είναι R1 = 81.723kOhms, R2 = 120.92kOHms, C1 = 0.1 microFarads και C2 = 0.045 microFarads. Τροφοδοτήστε τους ενισχυτές με τάση DC + και - 15V. Εάν θέλετε να ελέγξετε το φίλτρο, μπορείτε να προσομοιώσετε το κύκλωμα χρησιμοποιώντας ένα πρόγραμμα όπως το PSpice ή το CircuitLab online ή να χρησιμοποιήσετε έναν παλμογράφο με μια δεδομένη τάση σήματος εισόδου και να ελέγξετε για το αφαιρεθέν σήμα μετά την κατασκευή ενός φυσικού ενισχυτή. Συνδέστε τη γεννήτρια λειτουργίας και τον παλμογράφο στον ενισχυτή για να τρέξει το κύκλωμα. Στη συχνότητα διακοπής, θα πρέπει να δείτε ένα μέγεθος -3 dB. Αυτό υποδεικνύει ότι το κύκλωμά σας λειτουργεί σωστά.

Βήμα 6: Ρύθμιση του LabVIEW

Τώρα που δημιουργήθηκε το κύκλωμα, θέλουμε να μπορούμε να ερμηνεύσουμε το σήμα μας. Για να γίνει αυτό, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το LabVIEW. Ένας βοηθός DAQ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη λήψη του σήματος από το κύκλωμα. Αφού ανοίξετε το LabVIEW, ρυθμίστε το κύκλωμα όπως φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα. Ο βοηθός DAQ θα λάβει αυτήν την ένδειξη εισόδου από το κύκλωμα και το σήμα θα μεταβεί στο γράφημα κυματομορφής. Αυτό θα σας επιτρέψει να δείτε την κυματομορφή του ΗΚΓ!

Στη συνέχεια, θέλουμε να υπολογίσουμε το BPM. Η παραπάνω ρύθμιση θα το κάνει αυτό για εσάς. Το πρόγραμμα λειτουργεί λαμβάνοντας πρώτα τις μέγιστες τιμές του εισερχόμενου σήματος ΗΚΓ. Η τιμή κατωφλίου μας επιτρέπει να ανιχνεύσουμε όλες τις νέες τιμές που έρχονται και οι οποίες φθάνουν σε ένα ποσοστό της μέγιστης τιμής μας (στην περίπτωση αυτή, το 90%). Στη συνέχεια, οι θέσεις αυτών των τιμών αποστέλλονται στον πίνακα ευρετηρίασης. Δεδομένου ότι η ευρετηρίαση ξεκινά στο 0, θέλουμε να πάρουμε το 0ο και το 1ο σημείο και να υπολογίσουμε την αλλαγή του χρόνου μεταξύ τους. Αυτό μας δίνει το χρόνο μεταξύ των παλμών. Στη συνέχεια, παρέχουμε αυτά τα δεδομένα για να βρούμε το BPM. Συγκεκριμένα, αυτό γίνεται πολλαπλασιάζοντας την έξοδο από το στοιχείο dt και την έξοδο της αφαίρεσης μεταξύ των δύο τιμών στους πίνακες ευρετηρίασης και στη συνέχεια διαιρώντας με 60 (αφού μετατρέπουμε σε λεπτά).

Βήμα 7: Συνδέστε τα όλα και δοκιμάστε το

Συνδέστε το κύκλωμα στην είσοδο της πλακέτας DAQ. Τώρα το σήμα που εισάγετε θα περάσει από το κύκλωμα στην πλακέτα DAQ και το πρόγραμμα LabVIEW θα εξάγει την κυματομορφή και το υπολογιζόμενο BPM.

Συγχαρητήρια!