Merakam Isyarat Bioelektrik: ECG dan Monitor Denyut Jantung: 7 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 teknik pengasingan yang betul.

Elektrokardiogram (ECG) adalah ujian di mana elektrod permukaan diletakkan pada subjek dengan cara yang ditentukan untuk mengesan dan mengukur aktiviti elektrik jantung subjek [1]. ECG mempunyai banyak kegunaan dan dapat berfungsi untuk membantu diagnosis keadaan jantung, ujian tekanan, dan pemerhatian semasa dalam pembedahan. ECG juga dapat mengesan perubahan degupan jantung, aritmia, serangan jantung, dan banyak pengalaman dan penyakit lain [1] yang juga dijelaskan dalam pernyataan masalah di atas. Isyarat jantung yang diukur oleh ECG menghasilkan tiga bentuk gelombang yang berbeza yang menggambarkan suapan langsung jantung yang berfungsi. Ini ditunjukkan dalam gambar di atas.

Objektif projek ini adalah untuk membuat alat yang dapat memperoleh isyarat EKG dari penjana output atau manusia dan menghasilkan semula isyarat sambil menghilangkan kebisingan. Keluaran sistem juga akan mengira BPM.

Mari kita mulakan!

Langkah 1: Kumpulkan Semua Bahan

Untuk membuat ECG ini, kita akan membuat sistem yang terdiri daripada dua bahagian utama, litar dan sistem LabVIEW. Tujuan litar adalah untuk memastikan kita mendapat isyarat yang kita mahukan. Terdapat banyak bunyi ambien yang dapat menenggelamkan isyarat EKG kita, jadi kita perlu memperkuatkan isyarat kita dan juga menyaring kebisingan. Setelah isyarat disaring dan diperkuat melalui rangkaian, kita dapat mengirim isyarat halus ke program LabVIEW yang akan memaparkan bentuk gelombang serta menghitung BPM. Bahan berikut diperlukan untuk projek ini:

-Resistor, kapasitor, dan penguat operasi (op-amp - UA741 digunakan) komponen elektrik

-Papan roti tanpa solder untuk membina dan menguji

-DC bekalan kuasa untuk memberi kuasa kepada op-amp

-Fungsi penjana untuk membekalkan isyarat bioelektrik

-Oscilloscope untuk melihat isyarat input

-Dewan papan untuk menukar isyarat dari analog ke digital

-LabVIEW perisian untuk pemerhatian isyarat output

-BNC dan kabel plumbum hujung berubah

Langkah 2: Merangka Litar

Seperti yang baru sahaja kita bincangkan, adalah mustahak untuk menapis dan menguatkan isyarat kita. Untuk melakukan ini, kita dapat mengatur 3 peringkat litar kita yang berbeza. Pertama, kita perlu menguatkan isyarat kita. Ini dapat dilakukan dengan menggunakan penguat instrumentasi. Dengan cara ini, isyarat input kami dapat dilihat dengan lebih baik dalam produk akhir. Kita perlu mempunyai penekan takik secara bersiri dengan penguat instrumentasi ini. Penapis takik akan digunakan untuk menghilangkan kebisingan dari sumber kuasa kita. Selepas itu, kita boleh mempunyai penapis lulus rendah. Oleh kerana bacaan ECG biasanya frekuensi rendah, kami ingin memotong semua frekuensi yang berada pada frekuensi yang berada di luar batas bacaan ECG kami, jadi kami menggunakan filter low pass. Tahap-tahap ini dijelaskan dengan lebih terperinci dalam langkah-langkah berikut.

Sekiranya anda menghadapi masalah dengan litar anda, yang terbaik adalah mensimulasikan litar anda dalam program dalam talian. Dengan cara ini, anda boleh memeriksa untuk mengetahui apakah pengiraan nilai perintang dan kapasitor anda betul.

Langkah 3: Merancang Penguat Instrumentasi

Untuk memerhatikan isyarat bioelektrik dengan lebih cekap, isyarat perlu diperkuat. Untuk projek ini, untuk mencapai keseluruhan adalah 1000 V / V. Untuk mencapai keuntungan yang ditentukan dari penguat instrumentasi, nilai rintangan untuk litar dikira dengan persamaan berikut:

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

(Tahap 2) K2 = -R4 / R3

Di mana setiap peringkat digandakan untuk mengira keuntungan keseluruhan. Nilai perintang yang dipilih untuk menghasilkan keuntungan 1000 V / V adalah R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms, dan R4 = 330 kOhms. Gunakan bekalan kuasa DC untuk memberi julat voltan +/- 15 V (menjaga had semasa rendah) untuk memberi kuasa pada op-amp litar fizikal. Sekiranya anda ingin memeriksa nilai sebenar perintang, atau ingin memperoleh keuntungan ini sebelum membina, anda boleh mensimulasikan litar menggunakan program seperti PSpice atau CircuitLab dalam talian, atau menggunakan osiloskop dengan voltan isyarat input yang diberikan dan periksa yang sebenarnya memperoleh setelah membina penguat fizikal. Sambungkan penjana fungsi dan osiloskop ke penguat untuk menjalankan litar.

Foto di atas menggambarkan rupa bentuk litar dalam perisian simulasi PSpice. Untuk memastikan litar anda berfungsi dengan baik, sediakan gelombang sinus puncak ke puncak 10 kV 10 mV dari penjana fungsi, melalui litar, dan ke osiloskop. Gelombang sinus puncak ke puncak 10 V harus diperhatikan pada osiloskop.

Langkah 4: Merancang Notch Filter

Masalah khusus semasa menangani litar ini adalah kenyataan bahawa isyarat bunyi 60 Hz dihasilkan oleh talian bekalan kuasa di Amerika Syarikat. Untuk menghilangkan kebisingan ini, isyarat input ke dalam litar harus disaring pada 60 Hz, dan cara apa yang lebih baik untuk melakukannya daripada dengan penekan takik!

Penapis takik (litar yang digambarkan di atas) adalah jenis penapis elektrik tertentu yang dapat digunakan untuk menghilangkan frekuensi tertentu dari isyarat. Untuk mengeluarkan isyarat 60 Hz, kami mengira persamaan berikut:

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

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

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Menggunakan faktor kualiti (Q) 8 untuk merancang penapis yang tepat, kapasitansi (C) 0,033 uFarads untuk pemasangan lebih mudah, dan frekuensi tengah (w) 2 * pi * 60 Hz. Ini berjaya mengira nilai untuk perintang R1 = 5.024 kOhms, R2 = 1.2861 MOhms, dan R3 = 5.004 kOhms, dan berjaya membuat penapis untuk mengeluarkan frekuensi 60 Hz dari isyarat bioelektrik input. Sekiranya anda ingin memeriksa penapis, anda boleh mensimulasikan litar menggunakan program seperti PSpice atau CircuitLab dalam talian, atau menggunakan osiloskop dengan voltan isyarat input yang diberikan dan periksa isyarat yang dikeluarkan setelah membina penguat fizikal. Sambungkan penjana fungsi dan osiloskop ke penguat untuk menjalankan litar.

Melakukan sapuan AC dengan litar ini pada jarak frekuensi dari 1 Hz hingga 1 kHz pada isyarat puncak ke puncak 1 V harus menghasilkan ciri jenis "takik" pada 60 Hz pada plot output, yang dikeluarkan dari input isyarat.

Langkah 5: Merancang Penapis Lulus Rendah

Tahap terakhir litar adalah penapis lulus rendah, khususnya penapis lorong rendah Butterworth Pesanan Kedua. Ini digunakan untuk mengasingkan isyarat ECG kami. Bentuk gelombang ECG biasanya berada dalam had frekuensi 0 hingga ~ 100 Hz. Oleh itu, kami mengira nilai perintang dan kapasitor berdasarkan frekuensi pemotongan 100 Hz dan faktor kualiti 8, yang akan memberi kita penapis yang agak tepat.

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

Nilai yang kami hitung akhirnya menjadi R1 = 81.723kOhms, R2 = 120.92kOHms, C1 = 0.1 microFarads, dan C2 = 0.045 microFarads. Kuasakan op-amp dengan voltan DC + dan - 15V. Sekiranya anda ingin memeriksa penapis, anda boleh mensimulasikan litar menggunakan program seperti PSpice atau CircuitLab dalam talian, atau menggunakan osiloskop dengan voltan isyarat input yang diberikan dan periksa isyarat yang dikeluarkan setelah membina penguat fizikal. Sambungkan penjana fungsi dan osiloskop ke penguat untuk menjalankan litar. Pada frekuensi pemotongan, anda mesti melihat magnitud -3 dB. Ini menunjukkan bahawa litar anda berfungsi dengan betul.

Langkah 6: Menyiapkan Makmal

Sekarang litar telah dibuat, kami ingin dapat menafsirkan isyarat kami. Untuk melakukan ini, kita dapat menggunakan LabVIEW. Pembantu DAQ boleh digunakan untuk mendapatkan isyarat dari litar. Setelah membuka LabVIEW, siapkan litar seperti yang ditunjukkan dalam rajah di atas. Pembantu DAQ akan mengambil bacaan input ini dari litar dan isyarat akan menuju ke grafik bentuk gelombang. Ini akan membolehkan anda melihat bentuk gelombang ECG!

Seterusnya kami ingin mengira BPM. Penyediaan di atas akan melakukan ini untuk anda. Program ini berfungsi dengan mengambil nilai maksimum isyarat ECG yang masuk. Nilai ambang membolehkan kami mengesan semua nilai baru yang akan datang yang mencapai peratusan dari nilai maksimum kami (dalam kes ini, 90%). Lokasi nilai-nilai ini kemudian dihantar ke array pengindeksan. Oleh kerana pengindeksan bermula pada 0, kami ingin mengambil titik 0 dan 1 dan mengira perubahan masa di antara mereka. Ini memberi kita masa antara rentak. Kami kemudian memperkirakan data tersebut untuk mencari BPM. Secara khusus, ini dilakukan dengan mengalikan output dari elemen dt dan output penolakan antara dua nilai dalam array pengindeksan, dan kemudian membaginya dengan 60 (sejak kita menukar menjadi minit).

Langkah 7: Sambungkan Semua dan Uji

Sambungkan litar ke input papan DAQ. Sekarang isyarat yang anda masukkan akan melalui litar ke papan DAQ dan program LabVIEW akan mengeluarkan bentuk gelombang dan BPM yang dikira.

Tahniah!