Registrering av bioelektriska signaler: EKG och pulsmätare: 7 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

ANMÄRKNING: Detta är inte en medicinsk utrustning. Detta är endast för utbildningsändamål med hjälp av simulerade signaler. Om du använder denna krets för riktiga EKG-mätningar, se till att kretsen och krets-till-instrumentanslutningarna använder rätt isoleringsteknik.

Ett elektrokardiogram (EKG) är ett test där ytelektroder placeras på ett ämne på ett visst sätt för att detektera och mäta den elektriska aktiviteten i patientens hjärta [1]. Ett EKG har många användningsområden och kan fungera som hjälp vid diagnos av hjärtsjukdomar, stresstester och observation under operationen. Ett EKG kan också upptäcka förändringar i hjärtslag, arytmier, hjärtinfarkt och många andra erfarenheter och sjukdomar [1] som också beskrivs i problemmeddelandet ovan. Hjärtsignalen mätt med ett EKG producerar tre distinkta vågformer som visar en levande matning av det fungerande hjärtat. Dessa visas i bilden ovan.

Målet med detta projekt är att skapa en enhet som kan hämta EKG -signalen från en utgångsgenerator eller människa och reproducera signalen samtidigt som buller elimineras. Utmatningen från systemet kommer också att beräkna BPM.

Låt oss börja!

Steg 1: Samla allt material

För att skapa detta EKG kommer vi att skapa ett system som består av två huvuddelar, kretsen och LabVIEW -systemet. Syftet med kretsen är att se till att vi får signalen som vi vill ha. Det finns mycket omgivande buller som kan dränka vår EKG -signal, så vi måste förstärka vår signal och filtrera bort eventuellt brus. Efter att signalen har filtrerats och förstärkts genom kretsen kan vi skicka den förfinade signalen till ett LabVIEW -program som visar vågformen och beräknar BPM. Följande material är nödvändiga för detta projekt:

-Resistor, kondensator och operationsförstärkare (op -ampere -UA741 användes) elektriska komponenter

-Lödlös brödbräda för att bygga och testa

-DC strömförsörjning för att ge ström till op-ampere

-Funktionsgenerator för att leverera bioelektrisk signal

-Oscilloskop för att se insignal

-DAQ -kort för att konvertera signal från analog till digital

-LabVIEW -programvara för observation av utsignal

-BNC och kablar med variabel ände

Steg 2: Designa kretsen

Som vi just diskuterade är det nödvändigt att både filtrera och förstärka vår signal. För att göra detta kan vi ställa in tre olika steg i vår krets. Först måste vi förstärka vår signal. Detta kan göras genom att använda en instrumentationsförstärkare. På detta sätt kan vår insignal ses mycket bättre i slutprodukten. Vi måste då ha ett hackfilter i serie med denna instrumentationsförstärkare. Notfiltret används för att eliminera bruset från vår strömkälla. Efter det kan vi ha ett lågpassfilter. Eftersom EKG -avläsningar vanligtvis är lågfrekventa vill vi stänga av alla frekvenser som ligger vid en frekvens som ligger utanför våra EKG -avläsningsgränser, så vi använder ett lågpassfilter. Dessa steg förklaras mer detaljerat i följande steg.

Om du har problem med din krets är det bäst att simulera din krets i ett onlineprogram. På så sätt kan du kontrollera om dina beräkningar för motstånd och kondensatorvärden är korrekta.

Steg 3: Designa instrumentförstärkaren

För att observera den bioelektriska signalen mer effektivt måste signalen förstärkas. För detta projekt är att vinna för att uppnå totalt sett 1000 V/V. För att nå den angivna förstärkningen från instrumentförstärkaren beräknades motståndsvärdena för kretsen med följande ekvationer:

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

(Steg 2) K2 = -R4 / R3

Där var och en av etapperna multipliceras för att beräkna den totala vinsten. Motståndsvärden valda för att skapa en förstärkning på 1000 V/V är R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms och R4 = 330 kOhms. Använd likspänningen för att ge ett spänningsintervall på +/- 15 V (håll strömgränsen låg) för att driva den fysiska kretsens op-ampere. Om du vill kontrollera motståndens sanna värden eller vill uppnå denna förstärkning innan du bygger, kan du simulera kretsen med ett program som PSpice eller CircuitLab online, eller använda ett oscilloskop med en given insignalspänning och kontrollera om det är sant förstärkning efter att ha byggt en fysisk förstärkare. Anslut funktionsgeneratorn och oscilloskopet till förstärkaren för att driva kretsen.

Bilden ovan visar hur kretsen ser ut i simuleringsprogramvaran PSpice. För att kontrollera att din krets fungerar korrekt, mata en 1 kHz 10 mV sinus från topp-till-topp från funktionsgeneratorn, genom kretsen och till oscilloskopet. En 10 V topp-till-topp-sinusvåg bör observeras på oscilloskopet.

Steg 4: Designa Notch Filter

Ett specifikt problem vid hanteringen av denna krets är det faktum att en 60 Hz brussignal produceras av strömförsörjningsledningar i USA. För att ta bort detta brus måste insignalen till kretsen filtreras vid 60 Hz, och vilket bättre sätt att göra det än med ett hackfilter!

Ett hackfilter (kretsen som visas ovan) är en viss typ av elektriska filter som kan användas för att ta bort en specifik frekvens från en signal. För att ta bort 60 Hz -signalen beräknade vi följande ekvationer:

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

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

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Med hjälp av en kvalitetsfaktor (Q) på 8 för att designa ett hyfsat exakt filter, en kapacitans (C) på 0,033 uFarads för enklare montering och en mittfrekvens (w) på 2 * pi * 60 Hz. Detta beräknade framgångsrikt värdena för motstånden R1 = 5.024 kOhms, R2 = 1.2861 MOhms och R3 = 5.004 kOhms och skapade framgångsrikt ett filter för att ta bort en 60 Hz frekvens från den ingående bioelektriska signalen. Om du vill kontrollera filtret kan du simulera kretsen med hjälp av ett program som PSpice eller CircuitLab online, eller använda ett oscilloskop med en given insignalspänning och kontrollera efter den borttagna signalen efter att ha byggt en fysisk förstärkare. Anslut funktionsgeneratorn och oscilloskopet till förstärkaren för att driva kretsen.

Att utföra ett AC-svep med denna krets över ett frekvensintervall från 1 Hz till 1 kHz vid en 1 V topp-till-topp-signal bör ge en "hack" -funktion vid 60 Hz i utmatningsplottet, som tas bort från ingången signal.

Steg 5: Designa lågpassfiltret

Det sista steget i kretsen är lågpassfiltret, specifikt ett andra ordens Butterworth lågpassfilter. Detta används för att isolera vår EKG -signal. EKG -vågformer ligger vanligtvis inom frekvensgränserna 0 till ~ 100 Hz. Så vi beräknar våra motstånds- och kondensatorvärden baserat på gränsfrekvensen på 100 Hz och en kvalitetsfaktor på 8, vilket skulle ge oss ett relativt exakt filter.

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

De värden som vi beräknade slutade med att vara R1 = 81,723 kOhms, R2 = 120,92 kOHms, C1 = 0,1 microFarads och C2 = 0,045 microFarads. Driv förstärkarna med en likspänning på + och - 15V. Om du vill kontrollera filtret kan du simulera kretsen med hjälp av ett program som PSpice eller CircuitLab online, eller använda ett oscilloskop med en given insignalspänning och kontrollera efter den borttagna signalen efter att ha byggt en fysisk förstärkare. Anslut funktionsgeneratorn och oscilloskopet till förstärkaren för att driva kretsen. Vid gränsfrekvensen bör du se en magnitud på -3 dB. Detta indikerar att din krets fungerar korrekt.

Steg 6: Konfigurera LabVIEW

Nu när kretsen har skapats vill vi kunna tolka vår signal. För att göra detta kan vi använda LabVIEW. En DAQ -assistent kan användas för att hämta signalen från kretsen. Efter att du har öppnat LabVIEW, ställ in kretsen enligt diagrammet ovan. DAQ -assistenten tar denna ingångsmätning från kretsen och signalen går till kurvan för kurvan. Detta gör att du kan se EKG -vågformen!

Därefter vill vi beräkna BPM. Inställningen ovan kommer att göra detta för dig. Programmet fungerar genom att först ta maxvärdena för den inkommande EKG -signalen. Tröskelvärdet låter oss upptäcka alla nya värden som kommer in som når en procentandel av vårt maximala värde (i det här fallet 90%). Platserna för dessa värden skickas sedan till indexeringsmatrisen. Eftersom indexeringen börjar med 0 vill vi ta den nionde och första punkten och beräkna förändringen i tid mellan dem. Detta ger oss tid mellan slag. Vi extrapolerar sedan dessa data för att hitta BPM. Specifikt görs detta genom att multiplicera utsignalen från dt -elementet och utsignalen från subtraktionen mellan de två värdena i indexeringsraderna och sedan dividera med 60 (eftersom vi konverterar till minuter).

Steg 7: Anslut allt och testa det

Anslut kretsen till ingången på DAQ -kortet. Nu går signalen som du matar in genom kretsen till DAQ -kortet och LabVIEW -programmet kommer att mata ut vågformen och den beräknade BPM.

grattis!