Naredite svoj elektrokardiogram (EKG): 6 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

OPAZITI:

To ni medicinski pripomoček. To je samo v izobraževalne namene z uporabo simuliranih signalov. Če uporabljate to vezje za resnične meritve EKG-ja, se prepričajte, da vezje in povezave med tokokrogom in instrumentom uporabljajo energijo baterije in druge ustrezne izolacijske tehnike.

[Slika vzeta s

1. korak: Spoznajte svoje stvari

Elektrokardiogram (EKG) je pomembno orodje, ki ga uporabljajo zdravniki za spremljanje električne aktivnosti srca. Uporaben je pri zajemanju vsega, od nenormalnih srčnih ritmov do diagnosticiranja toplotne odpovedi. Če sledite tem navodilom, boste lahko izdelali napravo, ki prikazuje elektrokardiogram osebe, ki uporablja le osnovne veščine, in splošno laboratorijsko opremo za elektroniko. Ko dobite dober izhodni signal, lahko ta isti signal uporabite za izračun srčnega utripa ali drugo zanimivo metriko z uporabo mikrokrmilnika.

-

Če ne veste, kaj je EKG, je to preprosto posnetek srčne dejavnosti. Zaradi električne narave krčenja srca lahko spremembo napetosti zabeležimo tako, da na kožo postavimo elektrode in obdelamo signal. Načrt teh napetosti skozi čas se imenuje elektrokardiogram (na kratko EKG). EKG se običajno uporablja za diagnosticiranje različnih oblik srčnega popuščanja ali za pasivno spremljanje pacientovega stresa. Zdrav EKG ima posebne lastnosti, ki so univerzalne za ljudi. (To vključuje val P, val Q, val R, val S, val T in kompleks QRS.) Predložil sem poenostavljen diagram EKG z ustrezno reakcijo srca.

-

Upoštevajte, da vsak električni dogodek, ki se pojavi v živcih srca, ustreza fizičnemu dogodku, ki se posledično pojavi v mišičnem tkivu, medtem ko se en del srca krči, se drugi deli sproščajo. Na ta način je časovni razpored električnih signalov zelo pomemben v srcu, zaradi česar je EKG zelo močno orodje za merjenje zdravja srca.

-

Za snemanje dejanskega EKG -ja pa se pojavijo številna logistična vprašanja, na primer velikost signala, količina hrupa, ki prihaja iz preostalega dela telesa, in količina hrupa, ki prihaja iz okolja. Da bi to kompenzirali, oblikujemo vezje, ki bo sestavljeno iz treh delov: diferencialnega ojačevalnika za povečanje velikosti našega signala, nizkoprepustnega filtra za odpravo hrupa visokofrekvenčnih signalov in zarezni filter za odstranjevanje hrupa 60 Hz, ki je vedno prisoten v stavbah, ki imajo napajanje z izmeničnim tokom. Spodaj vam bom podrobno opisal opazovanje teh korakov.

[Slika vzeta s

2. korak: Zberite zaloge

Za ta projekt boste potrebovali:

- 1 velika plošča (2 ali več bo lepše)

- 5 op-ojačevalnikov za splošno uporabo

(Uporabil sem UA741 z +-15 V, samo poskrbite, da bodo izbrani zdržali 15 voltov, sicer boste morali prilagoditi vrednosti svojih pasivnih komponent in se boste morali zadovoljiti z manjšim ojačanjem)

Upori

o 2x 165 ohmov

o 3x 1 k ohm

o 2x 15k ohm

o 2x 33k ohm

o 1x 42k ohm

o 2x 60k ohm

Kondenzatorji

o 2x 22 nF

o 2x 1μF

o 1x 2Μf

- Številne ali mostične žice

- vir enosmerne napetosti, ki lahko zagotovi +-15 V

- Funkcijski generator in osciloskop (predvsem za odpravljanje težav)

- Vsaj tri lepljive elektrode, če nameravate snemati dejanski EKG

- Dovolj kablov za povezavo vseh teh neumnosti

- Trdno razumevanje vezij, op-ojačevalnikov in izkušenj z načrtovanjem.

Če ste ravnokar dobili rojstni dan za rojstni dan in želite z njim narediti nekaj kul, naredite vsaj nekaj preprostejših sestavkov, preden to preizkusite.

-

3. korak: Zgradite diferencialni ojačevalnik

Diferencialni ojačevalnik je tisti, ki bo posneti signal posnel na uporabno raven, ki bo prikazana na merilniku ali zaslonu. Ta zasnova vezja bo vzela razliko v napetosti dveh vhodnih elektrod in jo povečala. To se naredi za zmanjšanje hrupa, saj bo skupni hrup med elektrodami odpravljen. Amplituda EKG signala se bo razlikovala glede na postavitev snemalnih elektrod in posameznika, običajno pa je pri snemanju z zapestja običajno nekaj milivoltov. (Čeprav za to nastavitev ni potrebno, se amplituda signala lahko poveča z namestitvijo elektrod na prsni koš, vendar je kompromis hrup zaradi gibanja pljuč.)

-

Priložil sem shemo nastavitve. Vezje na sliki bi moralo ojačati vaš signal ~ 1000 -krat. To boste morda morali prilagoditi, odvisno od vrste op-amp-a, ki ste se ga odločili uporabiti. To lahko hitro prilagodite tako, da spremenite vrednost R1. Če vrednost R1 prepolovite, boste podvojili izhodni dobiček in obratno.

-

Predvidevam, da večina od vas lahko to vezje prevede na mizo, kljub temu sem vključil diagram nastavitve mize, da poenostavim postopek in upam, da skrajšate čas odpravljanja težav. Za vaše udobje sem priložil tudi sliko izpisa UA741 (ali LM741). (za vaše namene ne potrebujete nožic 1, 5 ali 8) Vtiča V + in V- na op-ojačevalniku bosta povezana z vašim napajanjem +15 V oziroma -15 V. -15V ni isto kot ozemljitev! Kondenzatorjev na moji plošči lahko prezrete. So obvodni kondenzatorji, namenjeni odstranjevanju hrupa izmeničnega toka, vendar za nazaj niso bili vredni truda.

-

Priporočam, da vsako stopnjo preizkusite, ko jo dokončate, da odpravite težave. Kot kaže vezje, lahko enega od vhodov priključite na ozemljitev, drugega pa na majhen enosmerni vir, da preverite ojačanje. (poskrbite, da vnesete <15 mV, sicer boste nasičili op-ojačevalnike). Če morate za testiranje zmanjšati svoj dobiček, se ne potrudite, vse, kar je nad 500-kratnim dobičkom, bo za naše namene dovolj. Poleg tega, če ste svoje vezje zgradili tako, da ima dobiček 1000 in kaže le dobiček 800, to ni konec sveta, natančno število ni kritično.

-

4. korak: Zgradite Notch filter

Zdaj, ko lahko ojačamo signal, poglejmo, kako ga očistiti. Če bi trenutno priključili elektrode na naše vezje, bi verjetno imelo tono 60 Hz hrupa. To je zato, ker je večina stavb ožičenih z izmeničnim tokom 60 Hz, kar povzroča neizogibno velike signale hrupa. Da bi to odpravili, bomo zgradili filter z zarezo 60 Hz. Zarezni filter je zasnovan tako, da zmanjša zelo posebne frekvence in pusti druge frekvence nedotaknjene; kot nalašč za odpravljanje hrupa 60 Hz.

-

Kot prej sem vključil sliko sheme vezja, nastavitvene plošče in lastnega vezja. Opomba: čeprav je zarezni filter razmeroma enostaven za izdelavo, je trajalo najdlje, da sem začel delati. Moj vhod je bil dobro oslabljen, vendar pri 63 Hz namesto 60 Hz, kar ga ne bo zmanjšalo. Če naletite na isto težavo, priporočam, da spremenite vrednost R14. (Povečanje upora R14 bo zmanjšalo vašo frekvenco dušenja in obratno). Če imate škatlo s spremenljivim uporom, jo uporabite za zamenjavo R14, nato pa igračo z vrednostmi upora, da ugotovite, kaj najbolje deluje, saj bo občutljiva na spremembe v vrstnem redu enega ohma. Na koncu sem imel 175 ohmov R14, vendar se teoretično najbolje ujema z R12.

-

Tudi to stopnjo lahko preizkusite z uporabo generatorja funkcij za vnos sinusnega vala 60 Hz in snemanje izhoda na osciloskop. Vaš izhod mora biti približno -20 dB ali 10% amplitude vhoda. Kot sem že rekel, lahko za optimizacijo preverite bližnje frekvence.

-

5. korak: Zgradite nizkoprepustni filter

Kot smo že omenili, je še en pomemben dejavnik zmanjšanje hrupa iz vašega telesa in karkoli drugega, kar zapira sobo, v kateri se nahajate. Nizkoprepustni filter je dober pri tem, saj je, kar zadeva signale, vaš srčni utrip precej počasen. Naš cilj z nizkoprepustnim filtrom je odpraviti vse signale, ki vsebujejo frekvence, višje od vašega EKG. Za to moramo določiti "mejno frekvenco". V našem primeru želimo vse nad to frekvenco odpraviti in vse pod to frekvenco želimo obdržati. Medtem ko se srčni utrip pojavi od 1 do 3 Hertz, so posamezne valovne oblike, ki sestavljajo naš EKG, sestavljene iz frekvenc, ki so veliko višje od tega; blizu 1 do 50 Hz. Zaradi tega sem izbral mejno frekvenco 80 Hz. Je dovolj visok, da zadrži vse uporabne komponente v signalu, vendar še vedno izloči šum iz radia HAM, ki ga imate v sosednji sobi.

-

O nizkoprepustnem filtru nimam nobenega nasveta, saj je v primerjavi z drugimi stopnjami zelo preprost. Podobno kot ojačevalnik ne skrbite, da boste dobili natančno mejo pri 80 Hz; to ni ključno in se realno ne bo zgodilo. Kljub temu morate preveriti njegov izhod z uporabo generatorja funkcij. Splošno pravilo je, da mora sinusni val iti skozi filter nedotaknjen pri 10 Hz in ga prepoloviti za 130 Hz.

-

Korak 6: Priključite ga

Če ste prišli tako daleč, čestitke! Imate vse sestavine EKG -ja. Vse kar morate narediti je, da jih povežete skupaj, udarite po elektrodah in priključite izhod na osciloskop, da si ogledate EKG!

-

Če niste prepričani, kako si namestite elektrode, priporočam, da vhodne elektrode prilepite na zapestja (po eno na vsakem zapestju) in ozemljitveno elektrodo priključite na nogo (slika bo morda v pomoč.) Opomnik je, da mora vsaka vhodna elektroda pojdi pozitiven vhod na op-ojačevalnike v ojačevalniku. (V simulacijski shemi je ozemljeno samo za simulacijo)

-

Ko ste povezani, priključite izhod nizkoprepustnega filtra na osciloskop in bodite ponosni nase! Naj vsi vaši otroci pridejo na elektrode in si ogledajo njihov srčni utrip. Prekleto, naj pridejo sosedje poskusit. Če se počutite dodatno motivirano, priključite izhod na mikrokrmilnik za izračun srčnega utripa iz samega. (Pred tem boste verjetno želeli zmanjšati ojačitev, saj lahko popeče ploščo, ki jo uporabljate). Ne glede na to, čestitke za izdelavo in srečno ustvarjanje!

[Slika vzeta s