Raqamli EKG va yurak urish tezligi monitor: 8 qadam

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:28

Ogohlantirish: bu tibbiy asbob emas. Bu faqat simulyatsiya qilingan signallardan foydalangan holda ta'lim maqsadlari uchun. Agar bu sxemani haqiqiy EKG o'lchovlari uchun ishlatayotgan bo'lsangiz, iltimos, kontaktlarning zanglashiga olib keling va kontaktlarning zanglashiga olib kelishi uchun batareya quvvati va boshqa to'g'ri izolyatsiya texnikasi ishlatilgan

Elektrokardiogramma (EKG) yurak tsikli davomida elektr signallarini qayd qiladi. Har safar yurak urishida miyokard hujayralarining depolarizatsiyasi va giperpolyarizatsiyasi sodir bo'ladi. Depolarizatsiya va giper polarizatsiyani elektrodlar yozishi mumkin va shifokorlar yurakning qanday ishlashi haqida ko'proq ma'lumot olish uchun bu ma'lumotni o'qiydilar. EKG yordamida miokard infarkti, atriyal yoki qorincha fibrilatsiyasi, taxikardiya va bradikardiya aniqlanishi mumkin [1]. EKGda qanday muammo borligini aniqlagandan so'ng, shifokorlar bemorni muvaffaqiyatli tashxislashi va davolashi mumkin. O'z qo'lingiz bilan elektrokardiogramma yozish moslamasini yasashni o'rganish uchun quyidagi amallarni bajaring!

1 -qadam: materiallar

O'chirish komponentlari:

• UA741 beshta operatsion kuchaytirgich
• Rezistorlar
• Kondensatorlar
• Jumper simlari
• DAQ kartasi
• LabVIEW dasturi

Sinov uskunalari:

• Funktsiya generatori
• DC quvvat manbai
• Osiloskop
• BNC kabellari va T-ajratuvchi
• Jumper kabellari
• Alligator kliplar
• Banan vilkalari

2 -qadam: asboblar kuchaytirgichi

O'chirishning birinchi bosqichi asboblar kuchaytirgichidir. Bu biologik signalni kuchaytiradi, shuning uchun EKGning turli komponentlarini ajratish mumkin.

Ko'rsatkich kuchaytirgichining sxemasi yuqorida ko'rsatilgan. Ushbu davrning birinchi bosqichi K1 = 1 + 2*R2 / R1 sifatida aniqlanadi. O'chirishning ikkinchi bosqichi K2 = R4 / R3 sifatida aniqlanadi. Asbob kuchaytirgichining umumiy yutug'i K1 * K2. Ushbu loyiha uchun kerakli daromad taxminan 1000 ga teng edi, shuning uchun K1 31 va K2 33 deb tanlandi. Bu yutuqlar uchun rezistor qiymatlari sxemada yuqorida ko'rsatilgan. Siz yuqorida ko'rsatilgan qarshilik qiymatlarini ishlatishingiz yoki kerakli daromadga mos keladigan qiymatlarni o'zgartirishingiz mumkin.

Komponent qiymatlarini tanlagandan so'ng, sxemani non panelida qurish mumkin. Non panelidagi elektron ulanishlarni soddalashtirish uchun yuqoridagi manfiy gorizontal rels erga o'rnatildi, pastki qismidagi ikkita gorizontal relslar mos ravishda +/- 15V ga o'rnatildi.

Qolgan barcha komponentlar uchun joy qoldirish uchun birinchi op amp non panelining chap tomoniga joylashtirilgan. Qo'shimchalar pinlarning xronologik tartibida qo'shilgan. Bu qaysi qismlar qo'shilgan yoki qo'shilmaganligini kuzatishni osonlashtiradi. Barcha pinlar op amp 1 uchun tugallangandan so'ng, keyingi op amperni qo'yish mumkin. Yana, bo'sh joy qoldirish uchun uning nisbatan yaqin ekanligiga ishonch hosil qiling. Xuddi shu xronologik pin jarayoni asbob kuchaytirgichi tugamaguncha barcha operatsion kuchaytirgichlar uchun yakunlandi.

Keyin simlardagi AC ulanishidan xalos bo'lish uchun elektron sxemaga qo'shimcha ravishda aylanma kondansatörler qo'shildi. Bu kondansatörler shahar kuchlanish manbai bilan parallel ravishda joylashtirilgan va yuqori gorizontal manfiy relsga ulangan. Bu kondansatörler 0,1 dan 1 microFarad oralig'ida bo'lishi kerak. Har bir op -amp ikkita bypass kondansatkichiga ega, bittasi 4 -pin uchun va 7 -pin uchun. Har bir op -amperdagi ikkita kondansatör bir xil qiymatga ega bo'lishi kerak, lekin op -op -op -dan farq qilishi mumkin.

Kuchaytirgichni sinab ko'rish uchun kuchaytirgichning kirish va chiqishiga mos ravishda funktsiya generatori va osiloskop ulandi. Kirish signali ham osiloskopga ulangan. Amplifikatsiyani aniqlash uchun oddiy sinus to'lqin ishlatilgan. Jeneratör ishlab chiqarish funktsiyasini asboblar kuchaytirgichining ikkita kirish terminaliga kiriting. Chiqish signalining kirish signaliga nisbatini o'lchash uchun osiloskopni o'rnating. Desibellarda zanjirning daromadi Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). 1000 daromad uchun desibellarda daromad 60dB ni tashkil qiladi. Osiloskop yordamida siz qurilgan sxemaning daromadlari sizning talablaringizga mos keladimi yoki sizning kontaktlarning zanglashiga olib kelishi uchun rezistorning ba'zi qiymatlarini o'zgartirish kerakligini aniqlashingiz mumkin.

Asboblar kuchaytirgichi to'g'ri yig'ilgan va ishlagandan so'ng, siz chiziqli filtrga o'tishingiz mumkin.

** Yuqoridagi sxemada R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

3 -qadam: filtr filtri

Chiziqli filtrning maqsadi - 60 Gts chastotali devor quvvat manbaidan shovqinni olib tashlash. Chiziq filtri uzilish chastotasida signalni susaytiradi va pastdan yuqoridan va pastdan o'tadi. Ushbu sxema uchun kerakli kesish chastotasi 60 Gts.

Yuqorida ko'rsatilgan elektron sxemaning boshqaruv tenglamalari R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) va R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), bu erda Q - sifat omili va w - 2 * pi * (kesish chastotasi). 8 sifat omili qarshilik va kondansatör qiymatlarini o'rtacha diapazonda beradi. Kondensatorlarning qiymatlari bir xil bo'lishi mumkin. Shunday qilib, siz to'plamingizda mavjud bo'lgan kondansatör qiymatini tanlashingiz mumkin. Yuqoridagi sxemada ko'rsatilgan rezistor qiymatlari 60 Gts chastotali, 8 sifat koeffitsienti va 0,22 uF bo'lgan kondansatör qiymati uchun.

Kondansatörler parallel ravishda qo'shilganligi sababli, 2C qiymatiga erishish uchun tanlangan C qiymatining ikkita kondansatörü parallel ravishda joylashtirildi. Shuningdek, op -ampga bypass kondansatörleri qo'shildi.

Chiziq filtrini sinab ko'rish uchun funksiya generatoridan chiqishni filtr filtrining kirishiga ulang. Osiloskopda kontaktlarning zanglashiga va kirishiga e'tibor bering. Samarali chiziqli filtrga ega bo'lish uchun siz kesish chastotasida -20dB dan kam yoki teng daromadga ega bo'lishingiz kerak. Komponentlar ideal bo'lmaganligi uchun bunga erishish qiyin bo'lishi mumkin. Hisoblangan qarshilik va kondansatör qiymatlari sizga kerakli daromad keltirmasligi mumkin. Bu rezistor va kondansatör qiymatlariga o'zgartirish kiritishingizni talab qiladi.

Buning uchun bir vaqtning o'zida bitta komponentga e'tibor qarating. Boshqa komponentlarni o'zgartirmasdan, bitta komponentning qiymatini oshiring va kamaytiring. Buning elektron aylanishiga qanday ta'sir qilishiga e'tibor bering. Istalgan daromadga erishish uchun ko'p sabr -toqat talab qilinishi mumkin. Esda tutingki, siz qarshilik qiymatlarini oshirish yoki kamaytirish uchun rezistorlarni ketma -ket qo'shishingiz mumkin. Bizning daromadimizni yaxshilagan o'zgarish kondansatkichlardan birini 0,33 uF ga oshirish edi.

4 -qadam: past o'tkazgichli filtr

Past o'tkazgichli filtr EKG signaliga xalaqit beradigan yuqori chastotali shovqinlarni olib tashlaydi. EKG to'lqin shakli ma'lumotlarini olish uchun 40 Gts past o'tish chegarasi etarli. Biroq, EKGning ba'zi komponentlari 40 Gts dan oshadi. 100 Gts yoki 150 Gts chastotali uzilishlardan ham foydalanish mumkin [2].

Past o'tkazgichli filtr ikkinchi darajali Butterworth filtridir. Bizning kontaktlarning zanglashiga olib kelishi asboblar kuchaytirgichi tomonidan aniqlanganligi sababli, biz past o'tkazgichli filtr uchun tarmoqli ichida 1 ta daromad olishni xohlaymiz. 1 ga erishish uchun RA qisqa tutashuvda va RB ochiq sxemada yuqoridagi sxemada [3]. Zanjirda C1 = 10 / (fc) uF, bu erda fc - kesish chastotasi. C1 C2 * a^2 / (4 * b) dan kichik yoki unga teng bo'lishi kerak. Ikkinchi darajali Buttervort filtri uchun a = sqrt (2) va b = 1. a va b qiymatlarini qo'shganda, C2 tenglamasi C1 / 2 dan kichik yoki unga tenglashadi. Keyin R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a^2 * C2^2 - 4 * b * C1 * C2))] va R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), bu erda w = 2 * pi * fc 40 gigagertsli uzilishni ta'minlash uchun ushbu sxema bo'yicha hisob -kitoblar yakunlandi. Bu xususiyatlarga mos keladigan rezistor va kondansatör qiymatlari yuqoridagi sxemada ko'rsatilgan.

Op -amp non panelining o'ng tomoniga joylashtirilgan, chunki undan keyin boshqa komponentlar qo'shilmaydi. O'chirish jarayonini yakunlash uchun rezistorlar va kondansatkichlar op -ampga qo'shilgan. Op -ampga aylanma kondansatörler ham qo'shildi. Kirish terminali bo'sh qoldi, chunki kirish chiziqli filtr chiqish signalidan keladi. Biroq, sinov o'tkazgichlari uchun past o'tish filtrini ajratib olish va uni alohida sinab ko'rish uchun kirish piniga sim qo'yilgan.

Kirish signali sifatida funktsiya generatorining sinus to'lqini ishlatilgan va turli chastotalarda kuzatilgan. Kirish va chiqish signallarini osiloskopda kuzatib turing va turli chastotalarda kontaktlarning zanglashini aniqlang. Kam o'tish filtri uchun kesish chastotasidagi daromad -3db bo'lishi kerak. Ushbu kontaktlarning zanglashiga olib kelishi uchun 40 Gts chastotada kesish kerak. 40 gigagertsli chastotalar to'lqin shaklida deyarli hech qanday susayishga ega bo'lmasligi kerak, lekin chastota 40 Gts dan oshgani sayin, yutish davom etishi kerak.

5 -qadam: O'chirish bosqichlarini yig'ish

Zanjirning har bir bosqichini qurib, mustaqil ravishda sinovdan o'tkazganingizdan so'ng, barchasini ulashingiz mumkin. Ko'rsatkich kuchaytirgichining chiqishi chuqurchalar filtrining kirishiga ulangan bo'lishi kerak. Chiziq filtrining chiqishi past o'tish filtrining kirishiga ulangan bo'lishi kerak.

Zanjirni sinab ko'rish uchun ishlab chiqaruvchi generatorining kirishini asbob kuchaytirgichi bosqichining kirishiga ulang. Osiloskopda kontaktlarning zanglashiga va kirishiga e'tibor bering. Siz funktsiya generatoridan yoki sinus to'lqinidan oldindan dasturlashtirilgan EKG to'lqini bilan sinab ko'rishingiz va o'z davringizning ta'sirini kuzatishingiz mumkin. Yuqoridagi osiloskop tasvirida sariq egri - kirish to'lqin shakli, yashil egri - chiqish.

O'zingizning barcha elektron bosqichlaringizni ulab, uning to'g'ri ishlashini ko'rsatganingizdan so'ng, siz DAX kartasiga ulanishingiz va LabVIEW -da dasturlashni boshlashingiz mumkin.

6 -qadam: LabVIEW dasturi

LabVIEW kodi - har xil chastotalarda simulyatsiya qilingan EKG to'lqinining har bir metriga urishini aniqlash. LabVIEW -da dasturlash uchun avvalo barcha komponentlarni aniqlash kerak. Ma'lumot yig'ish (DAQ) taxtasi deb ham ataladigan analogdan raqamli konvertorni sozlash va uzluksiz ishlashga sozlash kerak. Devordan chiqish signali DAQ kartasining kirishiga ulanadi. LabVIEW dasturidagi to'lqin shakli grafigi to'g'ridan -to'g'ri DAQ yordamchisining chiqishiga ulanadi. DAQ ma'lumotlarining chiqishi ham max/min identifikatoriga o'tadi. Keyin signal ko'paytirish arifmetik operatoridan o'tadi. Eshik qiymatini hisoblash uchun 0,8 raqamli ko'rsatkich ishlatiladi. Signal 0,8*Maksimaldan oshganda, tepalik aniqlanadi. Istalgan vaqtda bu qiymat indekslar qatorida saqlanadi. Ma'lumotlarning ikkita nuqtasi indekslar qatorida saqlanadi va ularni olib tashlash arifmetik operatoriga kiritiladi. Vaqt o'zgarishi bu ikki qiymat o'rtasida aniqlandi. Keyin yurak urish tezligini hisoblash uchun 60 vaqt farqiga bo'linadi. Chiqish grafigining yonida ko'rsatiladigan raqamli indikator yurak urish tezligini kirish signalining daqiqada (bpm) tezligida chiqaradi. Dastur o'rnatilgandan so'ng, uning hammasi uzluksiz tsikl ichida bo'lishi kerak. Har xil chastotali kirishlar har xil bpm qiymatlarini beradi.

7 -qadam: EKG ma'lumotlarini to'plash

Endi siz simulyatsiya qilingan EKG signalini elektronga kiritishingiz va ma'lumotlarni LabVIEW dasturiga yozib olishingiz mumkin! Simulyatsiya qilingan EKG chastotasi va amplitudasini o'zgartiring, bu sizning yozilgan ma'lumotlaringizga qanday ta'sir qiladi. Chastotani o'zgartirganda, hisoblangan yurak urish tezligining o'zgarishini ko'rishingiz kerak. Siz EKG va yurak urish tezligi monitorini muvaffaqiyatli qurdingiz!

8 -qadam: qo'shimcha yaxshilanishlar

Qurilgan qurilma simulyatsiya qilingan EKG signallarini olish uchun yaxshi ishlaydi. Ammo, agar siz biologik signallarni yozib olishni xohlasangiz (tegishli xavfsizlik choralariga rioya qilganingizga ishonch hosil qiling), signal o'qilishini yaxshilash uchun sxemalarga qo'shimcha o'zgartirishlar kiritilishi kerak. DC ofsetini va past chastotali harakat artefaktlarini olib tashlash uchun yuqori o'tish filtrini qo'shish kerak. Asboblar kuchaytirgichining yutuqlari, shuningdek, LabVIEW va operatsion kuchaytirgichlar uchun qulay diapazonda qolish uchun o'n barobar kamayishi kerak.

Manbalar

[1] S. Meek va F. Morris, “Kirish. II-asosiy terminologiya.,”BMJ, vol. 324, yo'q. 7335, 470-3 -betlar, 2002 yil fevral.

[2] Chia-Hung Lin, EKG uchun chastota-domen xususiyatlari kulrang relyatsion tahlilga asoslangan tasniflagich yordamida kamsitishni yengib, "Kompyuterlar va matematikada ilovalar", 55-jild, 2008 yil 4-son, 680-690-betlar, ISSN 0898-1221, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii…

[3] “Ikkinchi darajali filtr | Ikkinchi darajali past o'tkazgichli filtr dizayni.” Elektronika bo'yicha asosiy darsliklar, 2016 yil 9 sentyabr, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…