تسجيل الإشارات الكهروضوئية: تخطيط القلب ومراقبة معدل ضربات القلب: 7 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 تقنيات عزل مناسبة.

مخطط كهربية القلب (ECG) هو اختبار يتم فيه وضع أقطاب كهربائية سطحية على موضوع بطريقة محددة لاكتشاف وقياس النشاط الكهربائي لقلب الشخص [1]. يستخدم مخطط كهربية القلب العديد من الاستخدامات ويمكن أن يعمل للمساعدة في تشخيص أمراض القلب واختبارات الإجهاد والمراقبة أثناء الجراحة. يمكن أن يكتشف مخطط كهربية القلب أيضًا التغيرات في دقات القلب ، وعدم انتظام ضربات القلب ، والنوبة القلبية ، والعديد من التجارب والأمراض الأخرى [1] الموضحة أيضًا في بيان المشكلة أعلاه. تنتج الإشارة القلبية المقاسة بواسطة مخطط كهربية القلب ثلاثة أشكال موجية مميزة تصور تغذية حية للقلب العامل ، وهي موضحة في الصورة أعلاه.

الهدف من هذا المشروع هو إنشاء جهاز يمكنه الحصول على إشارة ECG من مولد الإخراج أو الإنسان وإعادة إنتاج الإشارة مع التخلص من الضوضاء. سيحسب ناتج النظام أيضًا BPM.

هيا بنا نبدأ!

الخطوة 1: اجمع كل المواد

من أجل إنشاء مخطط كهربية القلب هذا ، سننشئ نظامًا يتكون من جزأين رئيسيين ، الدائرة ونظام LabVIEW. الغرض من الدائرة هو التأكد من حصولنا على الإشارة التي نريدها. هناك الكثير من الضوضاء المحيطة التي يمكن أن تحجب إشارة ECG الخاصة بنا ، لذلك نحتاج إلى تضخيم الإشارة وكذلك تصفية أي ضوضاء. بعد تصفية الإشارة وتضخيمها عبر الدائرة ، يمكننا إرسال الإشارة المكررة إلى برنامج LabVIEW الذي سيعرض شكل الموجة وكذلك حساب BPM. المواد التالية ضرورية لهذا المشروع:

-مقاوم ومكثف ومضخم تشغيلي (تم استخدام op-amps - UA741) المكونات الكهربائية

-لوح لحام للبناء والاختبار

-DC امدادات الطاقة لتوفير الطاقة لمكبرات الصوت

-مولد وظيفي لتزويد إشارة الكهرباء الحيوية

- راسم الذبذبات لعرض إشارة الدخل

- لوحة DDAQ لتحويل الإشارة من التناظرية إلى الرقمية

-برنامج LabVIEW لمراقبة إشارة الخرج

-NC وكابلات توصيل نهاية متغيرة

الخطوة الثانية: تصميم الدائرة

كما ناقشنا للتو ، من الضروري تصفية الإشارة وتضخيمها. للقيام بذلك ، يمكننا إعداد 3 مراحل مختلفة من دائرتنا. أولاً ، نحتاج إلى تضخيم إشارتنا. يمكن القيام بذلك عن طريق استخدام مكبر للصوت. بهذه الطريقة ، يمكن رؤية إشارة الإدخال لدينا بشكل أفضل في المنتج النهائي. نحتاج بعد ذلك إلى الحصول على مرشح درجة في سلسلة مع مضخم الأجهزة هذا. سيتم استخدام مرشح القطع لإزالة الضوضاء من مصدر الطاقة لدينا. بعد ذلك ، يمكننا الحصول على مرشح تمرير منخفض. نظرًا لأن قراءات مخطط كهربية القلب عادةً ما تكون منخفضة التردد ، فنحن نريد قطع جميع الترددات التي تكون بتردد خارج حدود قراءة مخطط كهربية القلب ، لذلك نستخدم مرشح تمرير منخفض. يتم شرح هذه المراحل بمزيد من التفصيل في الخطوات التالية.

إذا كنت تواجه مشكلة في دائرتك ، فمن الأفضل محاكاة دائرتك في برنامج عبر الإنترنت. بهذه الطريقة ، يمكنك التحقق لمعرفة ما إذا كانت حساباتك لقيم المقاوم والمكثف صحيحة.

الخطوة 3: تصميم مضخم الأجهزة

لمراقبة الإشارة الكهروضوئية بشكل أكثر كفاءة ، يجب تضخيم الإشارة. بالنسبة لهذا المشروع ، فإن الكسب لتحقيق إجمالي هو 1000 فولت / فولت. للوصول إلى الربح المحدد من مضخم الأجهزة ، تم حساب قيم المقاومة للدائرة بواسطة المعادلات التالية:

(المرحلة 1) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(المرحلة 2) K2 = -R4 / R3

حيث يتم ضرب كل مرحلة لحساب الربح الإجمالي. قيم المقاوم المختارة من أجل تحقيق مكسب 1000 فولت / فولت هي R1 = 10 كيلو أوم ، R2 = 150 كيلو أوم ، R3 = 10 كيلو أوم ، و R4 = 330 كيلو أوم. استخدم مصدر طاقة التيار المستمر لإعطاء نطاق جهد +/- 15 فولت (الحفاظ على الحد الحالي منخفضًا) لتشغيل أمبير المرجع للدائرة المادية. إذا كنت ترغب في التحقق من القيم الحقيقية للمقاومات ، أو ترغب في تحقيق هذا الكسب قبل البناء ، فيمكنك محاكاة الدائرة باستخدام برنامج مثل PSpice أو CircuitLab عبر الإنترنت ، أو استخدام راسم الذبذبات بجهد إشارة دخل معين والتحقق من القيمة الحقيقية كسب بعد بناء مكبر فيزيائي. قم بتوصيل مولد الوظيفة وراسم الذبذبات بمكبر الصوت لتشغيل الدائرة.

الصورة أعلاه تصور شكل الدائرة في برنامج المحاكاة PSpice. للتحقق من أن دائرتك تعمل بشكل صحيح ، قم بتزويد موجة جيبية 1 كيلو هرتز 10 مللي فولت من الذروة إلى الذروة من مولد الوظيفة ، عبر الدائرة ، وإلى راسم الذبذبات. يجب ملاحظة موجة جيبية 10 فولت من الذروة إلى الذروة على مرسمة الذبذبات.

الخطوة 4: تصميم مرشح الشق

هناك مشكلة محددة عند التعامل مع هذه الدائرة وهي حقيقة أن إشارة ضوضاء 60 هرتز يتم إنتاجها بواسطة خطوط إمداد الطاقة في الولايات المتحدة. لإزالة هذه الضوضاء ، يجب تصفية إشارة الإدخال في الدائرة عند 60 هرتز ، وما أفضل طريقة للقيام بذلك من استخدام مرشح الدرجة!

مرشح القطع (الدائرة الموضحة أعلاه) هو نوع معين من المرشحات الكهربائية التي يمكن استخدامها لإزالة تردد معين من إشارة. لإزالة إشارة 60 هرتز ، قمنا بحساب المعادلات التالية:

R1 = 1 / (2 * س * ث * ج)

R2 = (2 * س) / (ث * ج)

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

س = ث / ب

ب = w2 - w1

باستخدام عامل جودة (Q) 8 لتصميم مرشح دقيق بشكل لائق ، وسعة (C) تبلغ 0.033 uFarads لتجميع أسهل ، وتردد مركزي (w) يبلغ 2 * pi * 60 هرتز. تم حساب قيم المقاومات R1 بنجاح = 5.024 كيلو أوم ، R2 = 1.2861 أوم ، و R3 = 5.004 كيلو أوم ، ونجحت في إنشاء مرشح لإزالة تردد 60 هرتز من إشارة الإدخال الكهروضوئية. إذا كنت ترغب في التحقق من المرشح ، يمكنك محاكاة الدائرة باستخدام برنامج مثل PSpice أو CircuitLab عبر الإنترنت ، أو استخدام مرسمة الذبذبات بجهد إشارة دخل معين والتحقق من الإشارة التي تم إزالتها بعد بناء مكبر مادي. قم بتوصيل مولد الوظيفة وراسم الذبذبات بمكبر الصوت لتشغيل الدائرة.

يجب أن يؤدي إجراء مسح التيار المتردد مع هذه الدائرة على نطاق من الترددات من 1 هرتز إلى 1 كيلو هرتز عند إشارة 1 فولت من الذروة إلى الذروة إلى إنتاج ميزة من النوع "الشق" عند 60 هرتز في مخطط الخرج ، والتي تتم إزالتها من الدخل الإشارة.

الخطوة 5: تصميم مرشح الترددات المنخفضة

المرحلة الأخيرة من الدائرة هي مرشح التمرير المنخفض ، وتحديداً مرشح الترددات المنخفضة Butterworth من الدرجة الثانية. يستخدم هذا لعزل إشارة ECG الخاصة بنا. عادة ما تكون أشكال موجة ECG ضمن حدود التردد من 0 إلى ~ 100 هرتز. لذلك ، نحسب قيم المقاوم والمكثف لدينا بناءً على تردد القطع البالغ 100 هرتز وعامل الجودة 8 ، مما يمنحنا مرشحًا دقيقًا نسبيًا.

R1 = 2 / (w [aC2 + sqrt (a2 + 4b (K-1))

C2 ^ 2-4b * C1 * C2) R2 = 1 / (ب * C1 * C2 * R1 * w ^ 2)

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

القيم التي حسبناها انتهى بها الأمر إلى R1 = 81.723 كيلو أوم ، R2 = 120.92 كيلو أوم ، C1 = 0.1 ميكرو فاراد ، و C2 = 0.045 ميكرو فاراد. قم بتشغيل المكبرات الصوتية بجهد تيار مستمر يبلغ + و - 15 فولت. إذا كنت ترغب في التحقق من الفلتر ، يمكنك محاكاة الدائرة باستخدام برنامج مثل PSpice أو CircuitLab عبر الإنترنت ، أو استخدام مرسمة الذبذبات بجهد إشارة دخل معين والتحقق من الإشارة التي تم إزالتها بعد بناء مضخم مادي. قم بتوصيل مولد الوظيفة وراسم الذبذبات بمكبر الصوت لتشغيل الدائرة. عند تردد القطع ، يجب أن ترى مقدارًا قدره -3 ديسيبل. يشير هذا إلى أن دائرتك تعمل بشكل صحيح.

الخطوة 6: إعداد LabVIEW

الآن وقد تم إنشاء الدائرة ، نريد أن نكون قادرين على تفسير إشارتنا. للقيام بذلك ، يمكننا استخدام LabVIEW. يمكن استخدام مساعد DAQ للحصول على إشارة من الدائرة. بعد فتح LabVIEW ، قم بإعداد الدائرة كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه. سيأخذ مساعد DAQ قراءة الإدخال هذه من الدائرة وستنتقل الإشارة إلى الرسم البياني لشكل الموجة. سيسمح لك ذلك برؤية شكل موجة ECG!

بعد ذلك نريد حساب BPM. الإعداد أعلاه سوف يفعل ذلك من أجلك. يعمل البرنامج أولاً بأخذ القيم القصوى لإشارة مخطط كهربية القلب الواردة. تتيح لنا قيمة العتبة اكتشاف جميع القيم الجديدة التي تصل إلى نسبة مئوية من القيمة القصوى (في هذه الحالة ، 90٪). ثم يتم إرسال مواقع هذه القيم إلى صفيف الفهرسة. نظرًا لأن الفهرسة تبدأ عند 0 ، فإننا نريد أن نأخذ النقطتين 0 و 1 ونحسب التغيير في الوقت بينهما. هذا يعطينا الوقت بين الضربات. ثم نقوم باستقراء تلك البيانات للعثور على BPM. على وجه التحديد ، يتم ذلك بضرب الناتج من عنصر dt وإخراج الطرح بين القيمتين في مصفوفات الفهرسة ، ثم القسمة على 60 (نظرًا لأننا نقوم بالتحويل إلى دقائق).

الخطوة 7: قم بتوصيلها كلها واختبرها

قم بتوصيل الدائرة بإدخال لوحة DAQ. الآن ستنتقل الإشارة التي تدخلها عبر الدائرة إلى لوحة DAQ وسيقوم برنامج LabVIEW بإخراج شكل الموجة و BPM المحسوب.

تهاني!