ECG Digital dan Monitor Denyut Jantung: 8 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:12

PEMBERITAHUAN: Ini bukan alat perubatan. Ini untuk tujuan pendidikan hanya menggunakan isyarat simulasi. Sekiranya menggunakan litar ini untuk pengukuran ECG sebenar, pastikan rangkaian dan sambungan litar-ke-instrumen menggunakan kuasa bateri dan teknik pengasingan lain yang betul

Elektrokardiogram (ECG) merekodkan isyarat elektrik semasa kitaran jantung. Setiap kali jantung berdegup, terdapat kitaran depolarisasi dan polarisasi hiper sel-sel miokardium. Pendepolarisasi dan polarisasi hiper dapat direkodkan oleh elektrod, dan doktor membaca maklumat tersebut untuk mengetahui lebih lanjut mengenai bagaimana jantung berfungsi. ECG dapat menentukan infark miokard, fibrilasi atrium atau ventrikel, takikardia, dan bradikardia [1]. Setelah menentukan apa masalahnya dari ECG, doktor berjaya mendiagnosis dan merawat pesakit. Ikuti langkah-langkah di bawah untuk mengetahui cara membuat peranti rakaman elektrokardiogram anda sendiri!

Langkah 1: Bahan

Komponen litar:

• Lima penguat operasi UA741
• Perintang
• Kapasitor
• Wayar pelompat
• Papan DAQ
• Perisian LabVIEW

Peralatan ujian:

• Penjana fungsi
• Bekalan kuasa DC
• Osiloskop
• Kabel BNC dan T-splitter
• Kabel pelompat
• Klip buaya
• Palam pisang

Langkah 2: Penguat Instrumentasi

Tahap pertama litar adalah penguat instrumentasi. Ini menguatkan isyarat biologi sehingga komponen ECG yang berbeza dapat dibezakan.

Gambarajah litar untuk penguat instrumentasi ditunjukkan di atas. Keuntungan tahap pertama litar ini ditakrifkan sebagai K1 = 1 + 2 * R2 / R1. Keuntungan tahap kedua litar ditakrifkan sebagai K2 = R4 / R3. Keuntungan keseluruhan penguat instrumentasi adalah K1 * K2. Keuntungan yang diinginkan untuk projek ini adalah kira-kira 1000, jadi K1 dipilih menjadi 31 dan K2 dipilih menjadi 33. Nilai perintang untuk kenaikan ini ditunjukkan di atas dalam rajah litar. Anda boleh menggunakan nilai perintang yang ditunjukkan di atas, atau anda dapat mengubah nilai untuk memenuhi keuntungan yang anda inginkan. **

Setelah anda memilih nilai komponen anda, litar boleh dibina di papan roti. Untuk mempermudah sambungan litar di papan roti, rel mendatar negatif di atas ditetapkan sebagai tanah sementara kedua rel mendatar di bahagian bawah masing-masing ditetapkan menjadi +/- 15V.

Op amp pertama diletakkan di sebelah kiri papan roti untuk meninggalkan ruang untuk semua komponen yang tinggal. Lampiran ditambahkan mengikut urutan kronologi pin. Ini menjadikannya lebih mudah untuk melacak potongan apa yang telah ditambahkan atau tidak. Setelah semua pin lengkap untuk op amp 1, op amp seterusnya boleh diletakkan. Sekali lagi, pastikan jaraknya agak dekat untuk meninggalkan ruang. Proses pin kronologi yang sama diselesaikan untuk semua op amp sehingga penguat instrumentasi selesai.

Kapasitor pintas kemudian ditambahkan sebagai tambahan kepada rajah litar untuk menghilangkan gandingan AC di wayar. Kapasitor ini diselaraskan dengan bekalan voltan DC dan dibumikan pada rel negatif mendatar atas. Kapasitor ini mestilah dalam lingkungan 0.1 hingga 1 microFarad. Setiap op amp mempunyai dua kapasitor bypass, satu untuk pin 4 dan satu untuk pin 7. Kedua kapasitor pada setiap op amp mesti mempunyai nilai yang sama, tetapi boleh berbeza dari op amp ke op amp.

Untuk menguji amplifikasi, generator fungsi dan osiloskop masing-masing menghubungkan input dan output penguat. Isyarat input juga disambungkan ke osiloskop. Gelombang sinus sederhana digunakan untuk menentukan penguatan. Masukkan output generator fungsi ke dalam dua terminal input penguat instrumentasi. Tetapkan osiloskop untuk mengukur nisbah isyarat output ke isyarat input. Keuntungan litar dalam desibel ialah Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). Untuk keuntungan 1000, keuntungan dalam desibel adalah 60dB. Dengan menggunakan osiloskop, anda dapat menentukan apakah keuntungan litar binaan anda memenuhi spesifikasi anda, atau jika anda perlu mengubah beberapa nilai perintang untuk memperbaiki litar anda.

Setelah penguat instrumentasi dipasang dan berfungsi dengan betul, anda boleh beralih ke penapis takik.

** Dalam rajah litar di atas, R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Langkah 3: Penapis Notch

Tujuan penekan takik adalah untuk mengeluarkan bunyi dari bekalan kuasa dinding 60 Hz. Penapis takik mengurangkan isyarat pada frekuensi pemotongan, dan melewati frekuensi di atas dan di bawahnya. Untuk litar ini, frekuensi pemotongan yang dikehendaki ialah 60 Hz.

Persamaan yang mengatur bagi rajah litar yang ditunjukkan di atas adalah R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C), dan R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), di mana Q adalah faktor kualiti dan w adalah 2 * pi * (frekuensi pemotongan). Faktor kualiti 8 memberikan nilai perintang dan kapasitor dalam julat yang munasabah. Nilai kapasitor boleh dianggap sama. Oleh itu, anda boleh memilih nilai kapasitor yang terdapat dalam kit anda. Nilai perintang yang ditunjukkan dalam litar di atas adalah untuk frekuensi pemotongan 60 Hz, faktor kualiti 8, dan nilai kapasitor 0.22 uF.

Oleh kerana kapasitor menambah secara selari, dua kapasitor dari nilai C yang dipilih diletakkan secara selari untuk mencapai nilai 2C. Juga, kapasitor pintas ditambahkan ke op amp.

Untuk menguji saringan takik, sambungkan output dari penjana fungsi ke input saringan takik. Perhatikan input dan output litar pada osiloskop. Untuk mempunyai penekan takik yang berkesan, anda harus memperoleh keuntungan kurang dari atau sama dengan -20dB pada frekuensi pemotongan. Oleh kerana komponennya tidak sesuai, ini sukar dicapai. Nilai perintang dan kapasitor yang dikira mungkin tidak memberikan keuntungan yang diinginkan. Ini memerlukan anda membuat perubahan pada nilai perintang dan kapasitor.

Untuk melakukannya, fokus pada satu komponen pada satu masa. Menambah dan menurunkan nilai satu komponen tanpa mengubah komponen lain. Perhatikan kesannya terhadap kenaikan litar. Ini mungkin memerlukan banyak kesabaran untuk mencapai keuntungan yang diinginkan. Ingat, anda boleh menambahkan perintang secara bersiri untuk meningkatkan atau menurunkan nilai perintang. Perubahan yang meningkatkan keuntungan kita adalah dengan meningkatkan salah satu kapasitor menjadi 0.33 uF.

Langkah 4: Penapis Lulus Rendah

Penapis lulus rendah mengeluarkan bunyi frekuensi yang lebih tinggi yang boleh mengganggu isyarat ECG. Potongan lulus rendah 40 Hz mencukupi untuk menangkap maklumat bentuk gelombang ECG. Walau bagaimanapun, beberapa komponen ECG melebihi 40 Hz. Potongan 100 Hz atau 150 Hz juga boleh digunakan [2].

Penapis lorong rendah yang dibina adalah penapis Butterworth Pesanan Kedua. Oleh kerana keuntungan litar kami ditentukan oleh penguat instrumentasi, kami menginginkan kenaikan 1 dalam jalur untuk penapis lulus rendah. Untuk keuntungan 1, RA adalah litar pintas dan RB terbuka dalam rangkaian rajah di atas [3]. Di litar, C1 = 10 / (fc) uF, di mana fc adalah frekuensi pemotongan. C1 hendaklah kurang dari atau sama dengan C2 * a ^ 2 / (4 * b). Untuk penapis Butterworth pesanan kedua, a = sqrt (2) dan b = 1. Memasukkan nilai untuk a dan b, persamaan untuk C2 menjadi kurang daripada atau sama dengan C1 / 2. Kemudian R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a ^ 2 * C2 ^ 2 - 4 * b * C1 * C2))] dan R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2), di mana w = 2 * pi * fc. Pengiraan untuk litar ini diselesaikan untuk memberikan pemotongan 40Hz. Nilai perintang dan kapasitor yang memenuhi spesifikasi ini ditunjukkan dalam rajah litar di atas.

Op amp diletakkan di bahagian paling kanan papan roti kerana tidak ada komponen lain yang akan ditambahkan selepasnya. Perintang dan kapasitor ditambahkan ke op amp untuk menyelesaikan litar. Kapasitor pintas juga ditambahkan ke op amp. Terminal input dibiarkan kosong kerana input akan datang dari isyarat output saringan takik. Namun, untuk tujuan pengujian, wayar diletakkan di pin input agar dapat mengasingkan saringan lulus rendah dan mengujinya secara individu.

Gelombang sinus dari fungsi berfungsi digunakan sebagai isyarat input dan diperhatikan pada frekuensi yang berbeza. Perhatikan isyarat input dan output pada osiloskop dan tentukan perolehan litar pada frekuensi yang berbeza. Untuk penapis lulus rendah, keuntungan pada frekuensi pemotongan mestilah -3db. Untuk litar ini, pemotongan hendaklah berlaku pada 40 Hz. Frekuensi di bawah 40Hz harus mempunyai sedikit atau tidak sedikit pelemahan dalam bentuk gelombang mereka, tetapi ketika frekuensi meningkat di atas 40 Hz, keuntungan harus terus bergulir.

Langkah 5: Memasang Tahap Litar

Setelah anda membina setiap peringkat litar dan mengujinya secara bebas, anda boleh menghubungkan semuanya. Keluaran penguat instrumen harus dihubungkan dengan input penekan takik. Keluaran saringan takik harus dihubungkan ke input penuras lorong rendah.

Untuk menguji litar, sambungkan input penjana fungsi ke input tahap penguat instrumentasi. Perhatikan input dan output litar pada osiloskop. Anda boleh menguji dengan gelombang ECG yang diprogramkan dari generator fungsi, atau dengan gelombang sinus dan memerhatikan kesan litar anda. Dalam gambar osiloskop di atas, lengkung kuning adalah bentuk gelombang input, dan lengkung hijau adalah output.

Setelah anda menghubungkan semua peringkat litar anda dan menunjukkan bahawa ia berfungsi dengan betul, anda boleh menyambungkan output litar anda ke papan DAQ dan memulakan pengaturcaraan di LabVIEW.

Langkah 6: Program LabVIEW

Kod LabVIEW adalah untuk mengesan rentak per meter dari gelombang ECG yang disimulasikan pada frekuensi yang berbeza. Untuk memprogram di LabVIEW, anda mesti mengenal pasti semua komponen terlebih dahulu. Penukar analog ke digital, juga dikenali sebagai papan pemerolehan data (DAQ), mesti disiapkan dan diatur untuk terus berjalan. Isyarat output dari litar disambungkan ke input papan DAQ. Graf bentuk gelombang dalam program LabVIEW dihubungkan terus ke output pembantu DAQ. Keluaran dari data DAQ juga masuk ke pengecam maks / min. Isyarat kemudian melalui operator aritmetik pendaraban. Penunjuk berangka 0.8 digunakan untuk mengira nilai ambang. Apabila isyarat melebihi 0.8 * Maksimum, puncak dikesan. Bila-bila masa nilai ini dijumpai disimpan dalam array indeks. Kedua-dua titik data disimpan dalam array indeks dan dimasukkan ke dalam operator aritmetik pengurangan. Perubahan masa dijumpai di antara dua nilai ini. Kemudian, untuk mengira kadar jantung, 60 dibahagikan dengan perbezaan masa. Penunjuk berangka, yang ditunjukkan di sebelah grafik output, mengeluarkan denyut jantung dalam denyutan per minit (bpm) dari isyarat input. Setelah program disiapkan, semuanya harus dimasukkan ke dalam loop sementara yang berterusan. Input frekuensi yang berbeza memberikan nilai bpm yang berbeza.

Langkah 7: Kumpulkan Data ECG

Sekarang anda boleh memasukkan isyarat ECG yang disimulasikan ke dalam rangkaian anda, dan merekodkan data dalam program LabVIEW anda! Ubah frekuensi dan amplitud ECG yang disimulasikan untuk melihat bagaimana pengaruhnya mempengaruhi data yang anda rakam. Semasa anda menukar frekuensi, anda akan melihat perubahan pada kadar denyutan jantung yang dikira. Anda berjaya merancang monitor ECG dan degup jantung!

Langkah 8: Penambahbaikan Lanjut

Peranti yang dibina akan berfungsi dengan baik untuk memperoleh isyarat ECG yang disimulasikan. Walau bagaimanapun, jika anda ingin merakam isyarat biologi (pastikan untuk mengikuti langkah keselamatan yang sewajarnya), pengubahsuaian lebih lanjut harus dilakukan pada litar untuk meningkatkan pembacaan isyarat. Penapis lulus tinggi harus ditambahkan untuk menghilangkan artifak gerakan offset DC dan frekuensi rendah. Keuntungan penguat instrumentasi juga harus dikurangkan sepuluh kali ganda agar tetap berada dalam julat yang dapat digunakan untuk LabVIEW dan op amp.

Sumber

[1] S. Meek dan F. Morris, "Pengenalan. II - terminologi asas.,”BMJ, vol. 324, No. 7335, hlm. 470–3, Februari 2002.

[2] Chia-Hung Lin, Ciri domain frekuensi untuk ECG mengalahkan diskriminasi menggunakan pengkelas berdasarkan analisis relasi kelabu, Dalam Komputer & Matematik dengan Aplikasi, Jilid 55, Isu 4, 2008, Halaman 680-690, ISSN 0898-1221, [3] "Penapis Pesanan Kedua | Reka Bentuk Penapis Lulus Rendah Pesanan Kedua. " Tutorial Elektronik Asas, 9 September 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…