Rəqəmsal EKQ və Nəbz Monitoru: 8 addım

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:48

DİQQƏT: Bu tibbi cihaz deyil. Bu yalnız simulyasiya edilmiş siqnallardan istifadə edərək təhsil məqsədləri üçündür. Bu dövrəni real EKQ ölçmələri üçün istifadə edirsinizsə, zəhmət olmasa dövrənin və dövrə-cihaz əlaqələrinin batareya enerjisindən və digər düzgün izolyasiya üsullarından istifadə etdiyinə əmin olun

Elektrokardioqram (EKQ) ürək dövrü ərzində elektrik siqnallarını qeyd edir. Ürək hər dəfə döyünəndə miyokard hüceyrələrinin depolarizasiya və hiper polarizasiya dövrü olur. Depolarizasiya və hiper qütbləşmə elektrodlarla qeyd edilə bilər və həkimlər ürəyin necə işlədiyini öyrənmək üçün bu məlumatları oxuyurlar. EKQ miokard infarktı, atrial və ya ventrikulyar fibrilasiya, taxikardiya və bradikardiyanı təyin edə bilər [1]. EKQ -dən problemin nə olduğunu təyin etdikdən sonra həkimlər xəstəni uğurla tanılaya və müalicə edə bilərlər. Öz elektrokardioqram qeyd cihazınızı necə edəcəyinizi öyrənmək üçün aşağıdakı adımları izləyin!

Addım 1: Materiallar

Dövrə komponentləri:

• Beş UA741 əməliyyat gücləndiricisi
• Rezistorlar
• Kondansatörler
• Jumper telləri
• DAQ lövhəsi
• LabVIEW proqramı

Test cihazları:

• Funksiya generatoru
• DC enerji təchizatı
• Osiloskop
• BNC kabelləri və T-splitter
• Keçid kabelləri
• Timsah klipləri
• Banana fişləri

Addım 2: Alət Gücləndiricisi

Dövrün ilk mərhələsi bir cihaz gücləndiricisidir. EKQ -nin fərqli komponentlərini ayırd etmək üçün bu, bioloji siqnalı gücləndirir.

Alət gücləndiricisinin dövrə diaqramı yuxarıda göstərilmişdir. Bu dövrənin ilk mərhələ qazancı K1 = 1 + 2*R2 / R1 olaraq təyin olunur. Dövrün ikinci mərhələli qazancı K2 = R4 / R3 olaraq təyin olunur. Alət gücləndiricisinin ümumi qazancı K1 * K2 -dir. Bu layihə üçün arzu olunan qazanc təxminən 1000 idi, buna görə K1 31, K2 33 olaraq seçildi. Bu qazanclar üçün müqavimət dəyərləri yuxarıda dövrə diaqramında göstərilmişdir. Yuxarıda göstərilən müqavimət dəyərlərindən istifadə edə bilərsiniz və ya istədiyiniz qazancı təmin etmək üçün dəyərləri dəyişdirə bilərsiniz. **

Komponent dəyərlərinizi seçdikdən sonra dövrə çörək lövhəsi üzərində qurula bilər. Çörək lövhəsindəki dövrə əlaqələrini asanlaşdırmaq üçün yuxarıdakı mənfi üfüqi ray yer kimi, altdakı iki üfüqi ray isə müvafiq olaraq +/- 15V olaraq təyin edilmişdir.

Qalan bütün komponentlər üçün yer buraxmaq üçün çörək taxtasının sol tərəfinə ilk op amp yerləşdirildi. Əlavələr sancaqlar xronoloji ardıcıllıqla əlavə edildi. Bu, hansı parçaların əlavə olunduğunu və ya edilmədiyini izləməyi asanlaşdırır. Bütün pinlər op amp 1 üçün tamamlandıqdan sonra, növbəti op amp yerləşdirilə bilər. Yenə də yer buraxmaq üçün nisbətən yaxın olduğundan əmin olun. Eyni xronoloji pin prosesi, alət gücləndiricisi tamamlanana qədər bütün op amperlər üçün tamamlandı.

Daha sonra naqillərdəki AC birləşməsindən xilas olmaq üçün dövrə diaqramına əlavə olaraq keçid kondansatörləri əlavə edildi. Bu kondansatörler DC gərginlik təchizatı ilə paralel olaraq qoyulmuş və yuxarı üfüqi mənfi rayda yerə qoyulmuşdur. Bu kondansatörler 0,1 ilə 1 microFarad aralığında olmalıdır. Hər bir op ampin iki pin bypass kondansatörü var, biri pin 4 üçün, digəri pin 7 üçün. Hər bir op amperindəki iki kondansatör eyni dəyərə malik olmalıdır, lakin op ampdən op ampə dəyişə bilər.

Amplifikasiyanı yoxlamaq üçün gücləndiricinin giriş və çıxışına müvafiq olaraq bir funksiya generatoru və osiloskop bağlandı. Giriş siqnalı osiloskopla da bağlı idi. Amplifikasiyanı təyin etmək üçün sadə bir sinus dalğası istifadə edilmişdir. Funksiya generatorunun çıxışını cihaz gücləndiricisinin iki giriş terminalına daxil edin. Çıxış siqnalının giriş siqnalına nisbətini ölçmək üçün osiloskopu təyin edin. Desibellərdə bir dövrənin qazancı Gain = 20 * log10 (Vout / Vin) təşkil edir. 1000 qazanc üçün desibellərdə qazanc 60dB -dir. Osiloskopdan istifadə edərək, qurduğunuz dövrənin qazancının spesifikasiyalarınıza uyğun olub olmadığını və ya dövrənizi yaxşılaşdırmaq üçün bəzi müqavimət dəyərlərini dəyişdirməyiniz lazım olduğunu təyin edə bilərsiniz.

Alət gücləndiricisi düzgün yığılıb işlədildikdən sonra çentik filtrinə keçə bilərsiniz.

** Yuxarıdakı sxemdə R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Addım 3: Çentik Filtri

Çentik filtrinin məqsədi, 60 Hz divar gücündən gələn səs -küyü aradan qaldırmaqdır. Çentik filtri, kəsilmə tezliyində siqnalı zəiflədir və tezlikləri yuxarıdan və aşağıdan keçir. Bu dövrə üçün istənilən kəsmə tezliyi 60 Hz -dir.

Yuxarıda göstərilən dövrə diaqramının idarə tənlikləri R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) və R3 = R1 * R2 / (R1 + R2) dir, burada Q keyfiyyət faktorudur və w 2 * pi * (kəsilmə tezliyi). 8 keyfiyyət amili, müqavimət və kondansatör dəyərlərini ağlabatan bir aralığa verir. Kondansatör dəyərlərinin hamısının eyni olduğunu qəbul etmək olar. Beləliklə, dəstlərinizdə olan bir kondansatör dəyərini seçə bilərsiniz. Yuxarıdakı dövrədə göstərilən müqavimət dəyərləri 60 Hz bir kəsilmə tezliyi, 8 keyfiyyət faktoru və 0,22 uF bir kondansatör dəyəri üçündür.

Kondansatörler paralel olaraq əlavə edildiyindən, 2C dəyərinə çatmaq üçün seçilmiş C dəyərinin iki kondansatörü paralel olaraq yerləşdirildi. Ayrıca, op amp -ə bypass kondansatörləri əlavə edildi.

Çentik filtrini sınamaq üçün funksiya generatorundan çıxanı çentik filtrinin girişinə qoşun. Osiloskopda dövrə girişini və çıxışını müşahidə edin. Effektiv bir çentik filtrinə sahib olmaq üçün, kəsmə tezliyində -20dB -dən az və ya bərabər bir qazanc əldə etməlisiniz. Komponentlər ideal olmadığından buna nail olmaq çətin ola bilər. Hesablanmış müqavimət və kondansatör dəyərləri sizə istədiyiniz qazancı verməyə bilər. Bu müqavimət və kondansatör dəyərlərində dəyişiklik etməyinizi tələb edəcək.

Bunu etmək üçün bir anda bir komponentə diqqət yetirin. Bir komponenti dəyişdirmədən dəyərini artırın və azaldın. Bunun dövrə qazancına təsirini müşahidə edin. İstədiyiniz qazanc əldə etmək üçün çox səbr tələb oluna bilər. Unutmayın ki, müqavimət dəyərlərini artırmaq və ya azaltmaq üçün rezistorları ardıcıl olaraq əlavə edə bilərsiniz. Qazancımızı ən çox yaxşılaşdıran dəyişiklik, kondansatörlərdən birini 0.33 uF -ə qaldırmaq oldu.

Addım 4: Aşağı keçid filtri

Aşağı keçid filtri EKQ siqnalına müdaxilə edə biləcək daha yüksək tezlikli səsləri aradan qaldırır. EKQ dalğa forması məlumatlarını əldə etmək üçün 40 Hz aşağı keçid həddi kifayətdir. Bununla birlikdə, EKQ -nin bəzi komponentləri 40 Hz -dən çoxdur. 100 Hz və ya 150 Hz kəsmə də istifadə edilə bilər [2].

Alınan aşağı keçid filtri İkinci Sifariş Butterworth filtridir. Dövrümüzün qazancı cihaz gücləndiricisi tərəfindən təyin olunduğundan, aşağı keçid filtri üçün bant daxilində 1 qazanc əldə etmək istəyirik. 1 qazanc əldə etmək üçün RA qısa dövrə və yuxarıdakı dövrə diaqramında RB açıq dövrə [3]. Dövrdə, C1 = 10 / (fc) uF, burada fc - kəsilmə tezliyi. C1 C2 * a^2 / (4 * b) -dən az və ya ona bərabər olmalıdır. İkinci dərəcəli Butterworth süzgəci üçün a = sqrt (2) və b = 1. a və b üçün dəyərlər qoyaraq C2 üçün tənlik C1 / 2 -dən az və ya bərabərdir. Sonra R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a^2 * C2^2 - 4 * b * C1 * C2))] və R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), burada w = 2 * pi * fc 40Hz bir kəsilmə təmin etmək üçün bu dövrə üçün hesablamalar tamamlandı. Bu spesifikasiyalara cavab verən rezistor və kondansatör dəyərləri yuxarıdakı sxemdə göstərilmişdir.

Op amp çörək taxtasının ən sağ tərəfinə yerləşdirildi, çünki ondan sonra başqa komponentlər əlavə olunmayacaq. Dövrəni tamamlamaq üçün rezistorlar və kondansatörlər op ampə əlavə edildi. Bypass kondansatörləri də op amp -ə əlavə edildi. Giriş çentik filtrinin çıxış siqnalından gələcəyi üçün giriş terminalı boş qaldı. Bununla birlikdə, test keçmək üçün aşağı keçid filtrini təcrid etmək və fərdi olaraq sınamaq üçün giriş pininə bir tel qoyuldu.

Giriş sinyali olaraq funksiya generatorundan bir sinus dalğası istifadə edildi və fərqli tezliklərdə müşahidə edildi. Osiloskopda həm giriş, həm də çıxış siqnallarını müşahidə edin və müxtəlif tezliklərdə dövrə qazancını təyin edin. Aşağı keçid filtri üçün kəsmə tezliyindəki qazanc -3db olmalıdır. Bu dövrə üçün kəsmə 40 Hz -də baş verməlidir. 40 Hz -dən aşağı olan tezliklərin dalğa formasında az da olsa zəifləməsi olmamalıdır, lakin tezlik 40 Hz -dən yuxarı artdıqca, qazanc yuvarlanmağa davam etməlidir.

Addım 5: Dövrə Mərhələlərinin Quraşdırılması

Dövrün hər bir mərhələsini qurduqdan və müstəqil olaraq sınadıqdan sonra hamısını birləşdirə bilərsiniz. Cihaz gücləndiricisinin çıxışı çentik filtrinin girişinə qoşulmalıdır. Çentik filtrinin çıxışı aşağı keçid filtrinin girişinə qoşulmalıdır.

Dövrəni yoxlamaq üçün funksiya generatorunun girişini cihaz gücləndiricisinin mərhələsinə daxil edin. Osiloskopda dövrə girişini və çıxışını müşahidə edin. Funksiya generatorundan əvvəlcədən proqramlaşdırılmış EKQ dalğası ilə və ya sinus dalğası ilə test edə bilərsiniz və dövrə təsirlərini müşahidə edə bilərsiniz. Yuxarıdakı osiloskop görüntüsündə, sarı əyri giriş dalğası, yaşıl əyri isə çıxışdır.

Bütün dövrə mərhələlərini bağladıqdan və düzgün işlədiyini nümayiş etdirdikdən sonra, dövrənizin çıxışını DAQ lövhəsinə bağlaya və LabVIEW -da proqramlaşdırmaya başlaya bilərsiniz.

Addım 6: LabVIEW proqramı

LabVIEW kodu, fərqli tezliklərdə simulyasiya edilmiş EKQ dalğasından metr başına vuruşları aşkar etməkdir. LabVIEW -də proqramlaşdırmaq üçün əvvəlcə bütün komponentləri müəyyən etməlisiniz. Məlumat toplama (DAQ) lövhəsi olaraq da bilinən bir rəqəmsal çeviricinin qurulması və davamlı işləməsi üçün qurulmalıdır. Dövrədən çıxan siqnal DAQ lövhəsinin girişinə bağlıdır. LabVIEW proqramındakı dalğa şəkli qrafiki birbaşa DAQ köməkçisinin çıxışına bağlıdır. DAQ məlumatlarının çıxışı da max/min identifikatoruna gedir. Siqnal daha sonra vurma arifmetik operatorundan keçir. Eşik dəyərini hesablamaq üçün 0.8 rəqəm göstəricisi istifadə olunur. Siqnal 0.8*Maksimumu keçəndə bir pik aşkar edilir. İstənilən vaxt bu dəyər indeks dizisində saxlanıldığı aşkar edildi. İki məlumat nöqtəsi indeks massivində saxlanılır və toplama işlemi arifmetik operatoruna daxil edilir. Zaman dəyişikliyi bu iki dəyər arasında tapıldı. Sonra, ürək dərəcəsini hesablamaq üçün 60, vaxt fərqinə bölünür. Çıxış qrafikinin yanında göstərilən rəqəmsal bir göstərici, giriş siqnalının dəqiqədə (bpm) vuruşda ürək dərəcəsini çıxarır. Proqram qurulduqdan sonra hamısı davamlı bir döngə içərisinə qoyulmalıdır. Fərqli tezlik girişləri fərqli bpm dəyərləri verir.

Addım 7: EKQ məlumatlarını toplayın

İndi dövrənizə simulyasiya edilmiş EKQ siqnalı daxil edə və məlumatlarınızı LabVIEW proqramınızda qeyd edə bilərsiniz! Bunun qeyd olunan məlumatlara necə təsir etdiyini görmək üçün simulyasiya edilmiş EKQ -nin tezliyini və amplitudunu dəyişdirin. Tezliyi dəyişdikcə hesablanan ürək dərəcəsində bir dəyişiklik görməlisiniz. EKQ və nəbz monitorunu uğurla hazırladınız!

Addım 8: Əlavə Təkmilləşdirmələr

Hazırlanmış cihaz simulyasiya edilmiş EKQ siqnallarını əldə etmək üçün yaxşı işləyəcək. Bununla birlikdə, bioloji siqnalları qeyd etmək istəyirsinizsə (müvafiq təhlükəsizlik tədbirlərinə əməl etməyinizə əmin olun), siqnalın oxunmasını yaxşılaşdırmaq üçün sxemlərdə əlavə dəyişikliklər edilməlidir. DC ofsetini və aşağı tezlikli hərəkət artefaktlarını çıxarmaq üçün yüksək keçid filtri əlavə edilməlidir. Alət gücləndiricisinin qazancı da LabVIEW və op amps üçün istifadə edilə bilən diapazonda qalmaq üçün on qat azaldılmalıdır.

Mənbələr

[1] S. Meek və F. Morris, “Giriş. II-əsas terminologiya.,”BMJ, cild 324, yox. 7335, s.470-3, Fevral 2002.

[2] Chia-Hung Lin, EKQ üçün Frequency-domain xüsusiyyətləri, boz əlaqəli təhlilə əsaslanan təsnifatçıdan istifadə edərək ayrı-seçkiliyi dəf edir, Kompüterlərdə və Riyaziyyatda Tətbiqləri, Cild 55, Sayı 4, 2008, Səhifələr 680-690, ISSN 0898-1221, [3] “İkinci Sifariş Filtri | İkinci dərəcəli aşağı keçid filtr dizaynı.” Əsas Elektronika Dərsləri, 9 Sentyabr 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…