جهاز رقمي لمراقبة معدل ضربات القلب وتخطيط القلب: 8 خطوات

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

إشعار: 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 طاقة البطارية وتقنيات العزل المناسبة الأخرى

يسجل مخطط كهربية القلب (ECG) الإشارات الكهربائية أثناء الدورة القلبية. في كل مرة ينبض فيها القلب ، تحدث دورة إزالة الاستقطاب والاستقطاب المفرط لخلايا عضلة القلب. يمكن تسجيل إزالة الاستقطاب والاستقطاب المفرط بواسطة الأقطاب الكهربائية ، ويقرأ الأطباء هذه المعلومات لمعرفة المزيد حول كيفية عمل القلب. يمكن أن يحدد مخطط كهربية القلب احتشاء عضلة القلب والرجفان الأذيني أو البطيني وعدم انتظام دقات القلب وبطء القلب [1]. بعد تحديد المشكلة من مخطط كهربية القلب ، يمكن للأطباء تشخيص وعلاج المريض بنجاح. اتبع الخطوات أدناه لمعرفة كيفية صنع جهاز تسجيل مخطط كهربية القلب الخاص بك!

الخطوة 1: المواد

مكونات الدائرة:

• خمسة مضخمات تشغيلية من طراز UA741
• المقاومات
• المكثفات
• أسلاك العبور
• مجلس دق
• برنامج LabVIEW

معدات اختبار:

• وظيفة المولد
• DC امدادات الطاقة
• راسم الذبذبات
• كابلات BNC و T-splitter
• كابلات توصيل
• مقاطع التمساح
• سدادات الموز

الخطوة 2: مضخم الأجهزة

المرحلة الأولى من الدائرة هي مكبر للصوت. يؤدي هذا إلى تضخيم الإشارة البيولوجية بحيث يمكن تمييز المكونات المختلفة لتخطيط القلب.

يظهر مخطط الدائرة لمضخم الأجهزة أعلاه. يتم تعريف كسب المرحلة الأولى لهذه الدائرة على أنه K1 = 1 + 2 * R2 / R1. يتم تعريف كسب المرحلة الثانية للدائرة على أنه K2 = R4 / R3. المكسب الإجمالي لمضخم الأجهزة هو K1 * K2. كان الكسب المطلوب لهذا المشروع حوالي 1000 ، لذلك تم اختيار K1 ليكون 31 وتم اختيار K2 ليكون 33. تم عرض قيم المقاوم لهذه المكاسب أعلاه في مخطط الدائرة. يمكنك استخدام قيم المقاوم الموضحة أعلاه ، أو يمكنك تعديل القيم لتلبية الكسب الذي تريده. **

بمجرد اختيار قيم المكونات الخاصة بك ، يمكن إنشاء الدائرة على اللوح. لتبسيط توصيلات الدائرة على اللوح ، تم ضبط السكة الأفقية السالبة في الأعلى كأرضي بينما تم ضبط القضبان الأفقية في الأسفل لتكون +/- 15 فولت على التوالي.

تم وضع أول أمبير على الجانب الأيسر من اللوح من أجل ترك مساحة لجميع المكونات المتبقية. تمت إضافة المرفقات بترتيب زمني للمسامير. هذا يجعل من السهل تتبع القطع التي تمت إضافتها أم لا. بمجرد اكتمال جميع المسامير في المرجع 1 ، يمكن وضع المرجع التالي. مرة أخرى ، تأكد من أنه قريب نسبيًا من أجل ترك مساحة. تم الانتهاء من نفس عملية الدبوس الكرونولوجية لجميع مضخمات التشغيل حتى اكتمال مضخم الأجهزة.

ثم تمت إضافة المكثفات الالتفافية بالإضافة إلى مخطط الدائرة للتخلص من اقتران التيار المتردد في الأسلاك. تم وضع هذه المكثفات بالتوازي مع مصدر جهد التيار المستمر وتأريضها على السكة الأفقية السالبة العلوية. يجب أن تكون هذه المكثفات في حدود 0.1 إلى 1 ميكرو فاراد. يحتوي كل جهاز أمبير على مكثفين تجاوزين ، أحدهما للطرف 4 والآخر للطرف 7. يجب أن يكون للمكثفين في كل جهاز أمبير نفس القيمة ، ولكن يمكن أن يختلفا من المرجع إلى المرجع.

من أجل اختبار التضخيم ، تم توصيل مدخلات ومخرجات مكبر الصوت بمولد وظيفي وذبذبات على التوالي. تم توصيل إشارة الدخل أيضًا بمؤشر الذبذبات. تم استخدام موجة جيبية بسيطة لتحديد التضخيم. أدخل خرج مولد الوظيفة في طرفي الإدخال لمضخم الأجهزة. اضبط راسم الذبذبات لقياس نسبة إشارة الخرج إلى إشارة الدخل. كسب الدائرة بالديسيبل هو Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). للحصول على 1000 ديسيبل ، يكون المكسب بالديسيبل 60 ديسيبل. باستخدام مرسمة الذبذبات ، يمكنك تحديد ما إذا كان كسب الدائرة التي تم إنشاؤها يتوافق مع المواصفات الخاصة بك ، أو إذا كنت بحاجة إلى تغيير بعض قيم المقاوم لتحسين دائرتك.

بمجرد تجميع مضخم الأجهزة وتشغيله بشكل صحيح ، يمكنك الانتقال إلى مرشح الشق.

** في مخطط الدائرة أعلاه ، R2 = R21 = R22 ، R3 = R31 = R32 ، R4 = R41 = R42

الخطوة 3: تصفية الشق

الغرض من مرشح القطع هو إزالة الضوضاء من مصدر طاقة الجدار 60 هرتز. يعمل مرشح القطع على تخفيف الإشارة عند تردد القطع ، ويمرر الترددات فوقها وتحتها. بالنسبة لهذه الدائرة ، فإن تردد القطع المطلوب هو 60 هرتز.

المعادلات الحاكمة لمخطط الدائرة الموضحة أعلاه هي R1 = 1 / (2 * Q * w * C) ، R2 = 2 * Q / (w * C) ، و R3 = R1 * R2 / (R1 + R2) ، حيث Q هو عامل الجودة و w هو 2 * pi * (تردد القطع). يعطي عامل الجودة 8 قيم المقاوم والمكثف في نطاق معقول. يمكن افتراض أن قيم المكثفات كلها متماثلة. وبالتالي ، يمكنك اختيار قيمة مكثف متوفرة في مجموعاتك. قيم المقاوم الموضحة في الدائرة أعلاه هي لتردد القطع 60 هرتز ، وعامل الجودة 8 ، وقيمة المكثف 0.22 فائق التوهج.

نظرًا لأن المكثفات تضيف بشكل متوازٍ ، فقد تم وضع مكثفين من القيمة المختارة C بالتوازي لتحقيق قيمة 2C. أيضًا ، تمت إضافة مكثفات الالتفاف إلى المرجع.

لاختبار مرشح الشق ، قم بتوصيل الإخراج من مولد الوظيفة بإدخال مرشح الشق. راقب مدخلات ومخرجات الدائرة على راسم الذبذبات. للحصول على مرشح نوتش فعال ، يجب أن يكون لديك ربح أقل من أو يساوي -20 ديسيبل عند تردد القطع. نظرًا لأن المكونات ليست مثالية ، فقد يكون من الصعب تحقيق ذلك. قد لا تمنحك قيم المقاوم والمكثف المحسوب الكسب المطلوب. سيتطلب ذلك إجراء تغييرات على قيم المقاوم والمكثف.

للقيام بذلك ، ركز على مكون واحد في كل مرة. زيادة وتقليل قيمة مكون واحد دون تغيير أي مكون آخر. لاحظ آثار ذلك على كسب الدائرة. قد يتطلب هذا الكثير من الصبر لتحقيق المكسب المطلوب. تذكر أنه يمكنك إضافة مقاومات في سلسلة لزيادة أو تقليل قيم المقاوم. كان التغيير الذي أدى إلى تحسين مكاسبنا أكثر هو زيادة أحد المكثفات إلى 0.33 uF.

الخطوة 4: مرشح الترددات المنخفضة

يزيل مرشح التمرير المنخفض ضوضاء التردد العالي التي قد تتداخل مع إشارة مخطط كهربية القلب. يعتبر قطع التمرير المنخفض البالغ 40 هرتز كافيًا لالتقاط معلومات شكل موجة ECG. ومع ذلك ، فإن بعض مكونات تخطيط القلب تتجاوز 40 هرتز. يمكن أيضًا استخدام قطع 100 هرتز أو 150 هرتز [2].

مرشح التمرير المنخفض الذي تم إنشاؤه هو مرشح Butterworth من الدرجة الثانية. نظرًا لأن مكاسب دائرتنا يتم تحديدها بواسطة مضخم الأجهزة ، فإننا نريد ربحًا قدره 1 داخل النطاق لمرشح التمرير المنخفض. للحصول على 1 ، يكون RA قصير الدائرة و RB مفتوح في مخطط الدائرة أعلاه [3]. في الدائرة ، C1 = 10 / (fc) uF ، حيث fc هو تردد القطع. يجب أن يكون C1 أقل من أو يساوي C2 * a ^ 2 / (4 * b). بالنسبة لمرشح Butterworth من الدرجة الثانية ، a = sqrt (2) و b = 1. بإدخال قيم a و b ، يتم تبسيط معادلة C2 إلى أقل من أو يساوي C1 / 2. ثم R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a ^ 2 * C2 ^ 2 - 4 * b * C1 * C2))] و R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2) ، حيث w = 2 * pi * نادي تم الانتهاء من حسابات هذه الدائرة من أجل توفير قطع قدره 40 هرتز. تظهر قيم المقاومة والمكثفات التي تلبي هذه المواصفات في مخطط الدائرة أعلاه.

تم وضع المرجع أمبير في أقصى الجانب الأيمن من اللوح نظرًا لعدم إضافة مكونات أخرى بعده. تمت إضافة المقاومات والمكثفات إلى المرجع أمبير لإكمال الدائرة. تمت إضافة المكثفات الالتفافية أيضًا إلى المرجع. تم ترك طرف الإدخال فارغًا لأن الإدخال سيأتي من إشارة خرج مرشح الشق. ومع ذلك ، لأغراض الاختبار ، تم وضع سلك عند دبوس الإدخال حتى تتمكن من عزل مرشح المرور المنخفض واختباره بشكل فردي.

تم استخدام موجة جيبية من مولد الوظيفة كإشارة دخل وتم ملاحظتها عند ترددات مختلفة. راقب كلاً من إشارات الإدخال والإخراج على مرسمة الذبذبات وحدد كسب الدائرة عند ترددات مختلفة. بالنسبة لمرشح تمرير منخفض ، يجب أن يكون الكسب عند تردد القطع -3 ديسيبل. بالنسبة لهذه الدائرة ، يجب أن يحدث القطع عند 40 هرتز. يجب أن تحتوي الترددات التي تقل عن 40 هرتز على توهين ضئيل أو معدوم في شكل الموجة ، ولكن مع زيادة التردد فوق 40 هرتز ، يجب أن يستمر الكسب في التدحرج.

الخطوة 5: تجميع مراحل الدائرة

بمجرد إنشاء كل مرحلة من مراحل الدائرة واختبارها بشكل مستقل ، يمكنك توصيلها جميعًا. يجب توصيل خرج مضخم الأجهزة بمدخل مرشح الشق. يجب توصيل خرج مرشح الشق بإدخال مرشح التمرير المنخفض.

لاختبار الدائرة ، قم بتوصيل مدخلات مولد الوظيفة بمدخل مرحلة مضخم الأجهزة. راقب مدخلات ومخرجات الدائرة على راسم الذبذبات. يمكنك الاختبار باستخدام موجة ECG مبرمجة مسبقًا من مولد الوظيفة ، أو باستخدام موجة جيبية ومراقبة تأثيرات دائرتك. في صورة الذبذبات أعلاه ، يكون المنحنى الأصفر هو شكل موجة الإدخال ، والمنحنى الأخضر هو الناتج.

بمجرد توصيل جميع مراحل دائرتك وإثبات أنها تعمل بشكل صحيح ، يمكنك توصيل خرج دائرتك بلوحة DAQ والبدء في البرمجة في LabVIEW.

الخطوة 6: برنامج LabVIEW

رمز LabVIEW هو اكتشاف النبضات لكل متر من موجة ECG المحاكاة بترددات مختلفة. للبرمجة في LabVIEW ، يجب تحديد جميع المكونات أولاً. يجب إعداد المحول التناظري إلى الرقمي ، المعروف أيضًا باسم لوحة الحصول على البيانات (DAQ) ، وتعيينه ليعمل بشكل مستمر. يتم توصيل إشارة الخرج من الدائرة بإدخال لوحة DAQ. الرسم البياني لشكل الموجة في برنامج LabVIEW متصل مباشرة بإخراج مساعد DAQ. ينتقل الإخراج من بيانات DAQ أيضًا إلى معرّف max / min. ثم تمر الإشارة من خلال عملية حسابية الضرب. يستخدم المؤشر العددي 0.8 لحساب قيمة العتبة. عندما تتجاوز الإشارة 0.8 * كحد أقصى ، يتم الكشف عن ذروة. في أي وقت تم العثور على هذه القيمة تم تخزينها في مصفوفة الفهرس. يتم تخزين نقطتي البيانات في مصفوفة الفهرس ويتم إدخالها في عامل الطرح الحسابي. تم العثور على التغيير في الوقت بين هاتين القيمتين. بعد ذلك ، لحساب معدل ضربات القلب ، يتم قسمة 60 على فارق التوقيت. يُخرج المؤشر العددي ، الذي يظهر بجانب الرسم البياني الناتج ، معدل ضربات القلب في نبضة في الدقيقة (bpm) لإشارة الإدخال. بمجرد إعداد البرنامج ، يجب وضعه داخل حلقة while المستمرة. تعطي مدخلات التردد المختلفة قيم نبضة في الدقيقة مختلفة.

الخطوة 7: جمع بيانات ECG

يمكنك الآن إدخال إشارة ECG محاكاة في دائرتك ، وتسجيل البيانات في برنامج LabVIEW الخاص بك! قم بتغيير تردد وسعة مخطط كهربية القلب المحاكى لترى كيف يؤثر ذلك على بياناتك المسجلة. أثناء تغيير التردد ، من المفترض أن ترى تغييرًا في معدل ضربات القلب المحسوب. لقد نجحت في تصميم جهاز مراقبة تخطيط القلب ومعدل ضربات القلب!

الخطوة 8: مزيد من التحسينات

سيعمل الجهاز المصمم جيدًا للحصول على إشارات محاكاة تخطيط القلب. ومع ذلك ، إذا كنت ترغب في تسجيل الإشارات البيولوجية (تأكد من اتباع احتياطات السلامة المناسبة) ، فيجب إجراء مزيد من التعديلات على الدوائر لتحسين قراءة الإشارة. يجب إضافة مرشح تمرير عالي لإزالة تشوهات الحركة ذات التردد المنخفض وإزاحة التيار المستمر. يجب أيضًا تقليل مكاسب مضخم الأجهزة بمقدار عشرة أضعاف للبقاء ضمن النطاق القابل للاستخدام لـ LabVIEW ومكبرات الصوت.

مصادر

[1] إس ميك وف. موريس ، "مقدمة. الثاني - المصطلحات الأساسية. ، "BMJ ، المجلد. 324 ، لا. 7335 ، الصفحات من 470 إلى 3 فبراير 2002.

[2] Chia-Hung Lin ، ميزات نطاق التردد لتمييز ضربات القلب ECG باستخدام مصنف رمادي قائم على التحليل العلائقي ، في أجهزة الكمبيوتر والرياضيات مع التطبيقات ، المجلد 55 ، الإصدار 4 ، 2008 ، الصفحات 680-690 ، ISSN 0898-1221 ،

[3] "مرشح الترتيب الثاني | تصميم مرشح الترددات المنخفضة من الدرجة الثانية ". دروس الإلكترونيات الأساسية ، 9 سبتمبر 2016 ، www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…