برنامج معدل ضربات القلب البسيط ECG و LabVIEW: 6 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:41

يُعد مخطط كهربية القلب ، أو يُشار إليه أيضًا باسم مخطط كهربية القلب ، نظامًا قويًا للغاية للتشخيص والمراقبة يستخدم في جميع الممارسات الطبية. تستخدم أجهزة تخطيط القلب لمراقبة النشاط الكهربائي للقلب بيانياً للتحقق من وجود تشوهات في معدل ضربات القلب أو الإشارات الكهربائية.

من خلال قراءة مخطط كهربية القلب ، يمكن تحديد معدل ضربات قلب المرضى من خلال التباعد الزمني بين مركبات QRS. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن الكشف عن حالات طبية أخرى مثل النوبة القلبية الوشيكة عن طريق ارتفاع مقطع ST. يمكن أن تكون مثل هذه القراءات حاسمة في تشخيص المريض وعلاجه بشكل صحيح. تُظهر الموجة P تقلص الأذين في القلب ، ومنحنى QRS هو انقباض البطين ، والموجة T هي عودة استقطاب القلب. معرفة حتى المعلومات البسيطة مثل هذه يمكن أن تشخص المرضى بسرعة لوظائف القلب غير الطبيعية.

يحتوي مخطط كهربية القلب القياسي المستخدم في الممارسة الطبية على سبعة أقطاب كهربائية موضوعة في نمط نصف دائري خفيف حول المنطقة السفلية من القلب. يتيح وضع الأقطاب الكهربائية هذا الحد الأدنى من الضوضاء عند التسجيل ويسمح أيضًا بقياسات أكثر اتساقًا. لغرضنا من دائرة ECG التي تم إنشاؤها ، سنستخدم ثلاثة أقطاب كهربائية فقط. سيتم وضع قطب الإدخال الموجب على المعصم الداخلي الأيمن ، وسيتم وضع قطب الإدخال السالب على المعصم الداخلي الأيسر ، وسيتم توصيل القطب الأرضي بالكاحل. سيسمح ذلك بأخذ القراءات عبر القلب بدقة نسبية. مع هذا الموضع من الأقطاب الكهربائية المتصلة بمكبر للصوت ، ومرشح تمرير منخفض ، وفلتر درجة ، يجب أن يكون من السهل تمييز أشكال موجة ECG كإشارة خرج من الدائرة التي تم إنشاؤها.

ملاحظة: هذا ليس جهازًا طبيًا. هذا للأغراض التعليمية فقط باستخدام إشارات محاكاة. في حالة استخدام هذه الدائرة لإجراء قياسات حقيقية لمخطط كهربية القلب ، يرجى التأكد من أن الدائرة والتوصيلات من الدائرة إلى الجهاز تستخدم تقنيات عزل مناسبة

الخطوة 1: إنشاء مضخم الأجهزة

لإنشاء جهاز متعدد المراحل بكسب 1000 أو 60 ديسيبل ، يجب تطبيق المعادلة التالية.

الكسب = (1 + 2 * R1 / Rgain)

R1 يساوي جميع المقاومات المستخدمة في مضخم الأجهزة بصرف النظر عن مقاومة الكسب والتي ستؤدي بمعنى ما إلى مشاركة كل الكسب في المرحلة الأولى من مكبر الصوت. تم اختيار هذا ليكون 50.3 كيلو أوم. لحساب مقاومة الكسب ، يتم توصيل هذه القيمة بالمعادلة أعلاه.

1000 = (1 + 2 * 50300 / Rgain)

Rgain = 100.7

بعد حساب هذه القيمة ، يمكن إنشاء مضخم الأجهزة على شكل الدائرة التالية الموضحة في هذه الخطوة. يجب أن يتم تشغيل OP / AMPs بجهد موجب وسالب 15 فولت كما هو موضح في مخطط الدائرة. يجب وضع المكثفات الالتفافية لكل OP / AMP بالقرب من OP / AMP في سلسلة مع مزود الطاقة لتثبيط أي إشارة AC قادمة من مصدر الطاقة إلى الأرض لمنع OP / AMP من التقليل وأي ضوضاء إضافية قد تساهم للإشارة. أيضًا ، لاختبار الكسب الفعلي للدوائر ، يجب إعطاء عقدة القطب الموجب موجة جيبية إدخال ويجب توصيل عقدة القطب السالب بالأرض. سيسمح ذلك برؤية كسب الدائرة بدقة بإشارة إدخال أقل من 15 مللي فولت من الذروة إلى الذروة.

الخطوة 2: قم بإنشاء مرشح تمرير الترددات المنخفضة من الدرجة الثانية

تم استخدام مرشح تمرير منخفض من الدرجة الثانية لإزالة الضوضاء فوق التردد المطلوب لإشارة ECG التي كانت 150 هرتز.

قيمة K المستخدمة في العمليات الحسابية لمرشح التمرير المنخفض من الدرجة الثانية هي الكسب. نظرًا لأننا لا نريد أي مكسب في مرشحنا ، فقد اخترنا قيمة كسب 1 مما يعني أن جهد الدخل سيكون مساويًا لجهد الخرج.

ك = 1

بالنسبة لمرشح Butterworth من الدرجة الثانية والذي سيتم استخدامه لهذه الدائرة ، يتم تحديد المعاملين a و b أدناه. أ = 1.414214 ب = 1

أولاً ، يتم اختيار قيمة المكثف الثانية لتكون مكثفًا كبيرًا نسبيًا ومتوفر بسهولة في المختبر وفي العالم الحقيقي.

C2 = 0.1 فهرنهايت

لحساب المكثف الأول ، يتم استخدام العلاقات التالية بينه وبين المكثف الثاني. تم إدخال معاملات K و a و b في المعادلة لحساب قيمة هذه القيمة.

C1 <= C2 * [a ^ 2 + 4b (K-1)] / 4b

C1 <= (0.1 * 10 ^ -6 [1.414214 ^ 2 + 4 * 1 (1-1)] / 4 * 1

C1 <= 50 nF

نظرًا لأنه تم حساب المكثف الأول ليكون أقل من أو يساوي 50 nF ، فقد تم اختيار قيمة المكثف التالية.

C1 = 33 nF

لحساب المقاوم الأول المطلوب لمرشح تمرير منخفض من الدرجة الثانية بتردد قطع 150 هرتز ، تم حل المعادلة التالية باستخدام قيم المكثف المحسوبة والمعاملات K و a و b. R1 = 2 / [(تردد القطع) * [aC2 * sqrt ([(a ^ 2 + 4b (K-1)) C2 ^ 2-4bC1C2])]

R1 = 9478 أوم

تم استخدام المعادلة التالية لحساب المقاوم الثاني. تردد القطع مرة أخرى هو 150 هرتز والمعامل b هو 1.

R2 = 1 / [bC1C2R1 (تردد القطع) ^ 2]

R2 = 35.99 كيلو أوم بعد حساب القيم المذكورة أعلاه للمقاومات والمكثفات اللازمة لمرشح الدرجة الثانية ، تم إنشاء الدائرة التالية لإظهار مرشح التمرير المنخفض النشط الذي سيتم استخدامه. يتم تشغيل OP / AMP بجهد موجب وسالب 15 فولت كما هو موضح في الرسم التخطيطي. يتم توصيل المكثفات الالتفافية بمصادر الطاقة بحيث يتم تحويل أي إشارة تيار متردد تخرج من المصدر إلى الأرض لضمان عدم تحطيم OP / AMP بواسطة هذه الإشارة. لاختبار هذه المرحلة من دائرة مخطط كهربية القلب ، يجب توصيل عقدة إشارة الإدخال بموجة جيبية وإجراء مسح تيار متردد من 1 هرتز إلى 200 هرتز لمعرفة كيفية عمل المرشح.

الخطوة 3: قم بإنشاء مرشح الشق

يعتبر مرشح القطع جزءًا مهمًا للغاية في العديد من الدوائر لقياس إشارات التردد المنخفض. عند الترددات المنخفضة ، تكون ضوضاء التيار المتردد 60 هرتز شائعة للغاية لأنها تردد تيار التيار المتردد الذي يمر عبر المباني في الولايات المتحدة. هذا الضجيج 60 هرتز غير مريح كما هو الحال في منتصف نطاق المرور لتخطيط القلب ، لكن مرشح القطع يمكنه إزالة ترددات معينة مع الحفاظ على بقية الإشارة. عند تصميم مرشح الدرجة هذا ، من المهم جدًا أن يكون لديك عامل جودة عالي ، Q ، للتأكد من أن لفة القطع تكون حادة حول نقطة الاهتمام. فيما يلي تفاصيل العمليات الحسابية المستخدمة لإنشاء مرشح درجة نشط سيتم استخدامه في دائرة مخطط كهربية القلب.

أولاً تردد الاهتمام ، يجب تحويل 60 هرتز من هرتز إلى راديان / ثانية.

التردد = 2 * pi * التردد

التردد = 376.99 راد / ثانية

بعد ذلك ، يجب حساب عرض النطاق الترددي لقطع الترددات. يتم تحديد هذه القيم بطريقة تضمن قطع التردد الرئيسي للفائدة ، 60 هرتز ، تمامًا وأن عددًا قليلاً فقط من الترددات المحيطة تتأثر قليلاً.

عرض النطاق الترددي = قطع 2 - قطع 1

عرض النطاق الترددي = 37.699 يجب تحديد عامل الجودة بعد ذلك. يحدد عامل الجودة مدى حدة الشق ومدى ضيق الحد الأقصى. يتم حساب ذلك باستخدام عرض النطاق الترددي وتكرار الفائدة. س = التردد / عرض النطاق

س = 10

يتم اختيار قيمة مكثف متاحة بسهولة لهذا المرشح. ليس من الضروري أن يكون المكثف كبيرًا وبالتأكيد يجب ألا يكون صغيرًا جدًا.

C = 100 nF

لحساب المقاوم الأول المستخدم في مرشح الدرجة النشط هذا ، تم استخدام العلاقة التالية التي تتضمن عامل الجودة ، وتكرار الاهتمام ، والمكثف المختار.

R1 = 1 / [2QC * التردد]

R1 = 1326.29 أوم

يتم حساب المقاوم الثاني المستخدم في هذا الفلتر باستخدام العلاقة التالية.

R2 = 2Q / [التردد * C]

R2 = 530516 أوم

يتم حساب المقاوم النهائي لهذا المرشح باستخدام قيمتي المقاوم السابقتين. من المتوقع أن تكون مشابهة جدًا للمقاوم الأول المحسوب.

R3 = R1 * R2 / [R1 + R2]

R3 = 1323 أوم

بعد حساب جميع قيم المكونات باستخدام المعادلات الموضحة أعلاه ، يجب إنشاء مرشح الدرجة التالي لتصفية ضوضاء التيار المتردد 60 هرتز بدقة والتي ستؤدي إلى تعطيل إشارة مخطط كهربية القلب. يجب أن يتم تشغيل OP / AMP بجهد 15 فولت موجب وسالب كما هو موضح في الدائرة أدناه. يتم توصيل المكثفات الالتفافية من مصادر الطاقة الموجودة في OP / AMP بحيث يتم تحويل أي إشارة تيار متردد تأتي من مصدر الطاقة إلى الأرض لضمان عدم تقليب OP / AMP. لاختبار هذا الجزء من الدائرة ، إشارة الإدخال يجب توصيله بموجة جيبية ويجب إجراء مسح تيار متردد من 40 هرتز إلى 80 هرتز لرؤية ترشيح إشارة 60 هرتز.

الخطوة 4: قم بإنشاء برنامج LabVIEW لحساب معدل ضربات القلب

LabVIEW هي أداة مفيدة لتشغيل الأدوات وكذلك لجمع البيانات. لجمع بيانات ECG ، يتم استخدام لوحة DAQ والتي ستقرأ الفولتية المدخلة بمعدل أخذ العينات من 1 كيلو هرتز. يتم بعد ذلك إخراج الفولتية المدخلة إلى قطعة الأرض التي تُستخدم لعرض تسجيل ECG. البيانات التي يتم جمعها تمر بعد ذلك من خلال مكتشف الحد الأقصى الذي ينتج القيم القصوى للقراءة. تسمح هذه القيم بحساب عتبة الذروة عند 98 ٪ من الحد الأقصى للإنتاج. بعد ذلك ، يتم استخدام كاشف ذروة لتحديد متى تكون البيانات أكبر من تلك العتبة. يمكن استخدام هذه البيانات مع الوقت بين الذروة لتحديد معدل ضربات القلب. سيحدد هذا الحساب البسيط بدقة معدل ضربات القلب من الفولتية المدخلة التي تقرأها لوحة DAQ.

الخطوة الخامسة: الاختبار

بعد إنشاء الدوائر الخاصة بك ، فأنت على استعداد لتشغيلها! أولاً ، يجب اختبار كل مرحلة باستخدام اكتساح التيار المتردد للترددات من 0.05 هرتز إلى 200 هرتز. يجب ألا يزيد جهد الدخل عن 15 مللي فولت من الذروة إلى الذروة حتى لا يتم تحريك الإشارة بواسطة قيود OP / AMP. بعد ذلك ، قم بتوصيل جميع الدوائر وتشغيل عملية مسح كاملة للتيار المتردد مرة أخرى للتأكد من أن كل شيء يعمل بشكل صحيح. بعد أن تشعر بالرضا عن إخراج دائرتك الكاملة ، حان الوقت لتوصيل نفسك بها. ضع القطب الموجب على معصمك الأيمن والقطب السالب على معصمك الأيسر. ضع القطب الكهربائي الأرضي على كاحلك. قم بتوصيل خرج الدائرة الكاملة بلوحة DAQ الخاصة بك وقم بتشغيل برنامج LabVIEW. يجب أن تكون إشارة مخطط كهربية القلب (ECG) الخاصة بك مرئية الآن على الرسم البياني لشكل الموجة على الكمبيوتر. إذا لم يكن محرفًا أو مشوهًا ، فحاول خفض كسب الدائرة إلى حوالي 10 عن طريق تغيير مقاومة الكسب وفقًا لذلك. يجب أن يسمح ذلك لبرنامج LabVIEW بقراءة الإشارة.