Elektrokardiogram (EKG) vezje: 7 korakov

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

Opomba: To ni medicinski pripomoček. To je samo v izobraževalne namene z uporabo simuliranih signalov. Če uporabljate to vezje za prave meritve EKG-ja, se prepričajte, da vezje in povezave vezje-instrument uporabljajo ustrezne izolacijske tehnike.

Sva dva študenta biomedicinskega inženiringa in po prvem tečaju vezja sva bila zelo navdušena in se odločila, da uporabimo osnove, ki sva se jih naučila narediti nekaj koristnega: prikazati EKG in prebrati srčni utrip. To bi bilo najbolj zapleteno vezje, ki smo ga doslej zgradili!

Nekaj podatkov o EKG -ju:

Številne električne naprave se uporabljajo za merjenje in beleženje biološke aktivnosti v človeškem telesu. Ena takih naprav je elektrokardiogram, ki meri električne signale, ki jih proizvaja srce. Ti signali dajejo objektivne informacije o zgradbi in delovanju srca. EKG je bil prvič razvit leta 1887 in je zdravnikom omogočil nov način diagnosticiranja srčnih zapletov. EKG lahko zazna srčni ritem, srčni utrip, srčne napade, nezadostno oskrbo srca s kisikom in kisikom ter strukturne nepravilnosti. S preprosto zasnovo vezja lahko naredite EKG, ki bi lahko spremljal vse te stvari.

1. korak: Materiali

Gradnja vezja

Osnovni materiali, potrebni za izdelavo vezja, so prikazani na slikah. Vključujejo:

• Ogledna plošča

• Operacijski ojačevalniki

  • Vsi op ojačevalniki, uporabljeni v tem vezju, so LM741.
  • Za več informacij glejte podatkovni list:
• Upori
• Kondenzatorji
• Žice

• Prilepljene elektrode

  Te so potrebne le, če se odločite preizkusiti vezje na resnični osebi

Uporabljena programska oprema vključuje:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab ali PSpice za simulacije za preverjanje vrednosti

• Excel

  To je zelo priporočljivo v primeru, da morate spremeniti značilnosti svojega vezja. Morda se boste morali igrati tudi s številkami, dokler ne najdete vrednosti upora in kondenzatorjev, ki so na voljo. Izračuni s peresom in papirjem za to niso priporočljivi! Za predstavo smo priložili izračune preglednic

Testiranje vezja

Potrebovali boste tudi večjo elektronsko opremo:

• DC napajanje
• DAQ plošča za vmesnik vezja z LabVIEW
• Generator funkcij za preskusno vezje
• Osciloskop za preskušanje vezja

Korak: Instrumentacijski ojačevalnik

Zakaj ga potrebujemo:

Zgradili bomo instrumentacijski ojačevalnik, da bi povečali majhno amplitudo, merjeno od telesa. Uporaba dveh ojačevalnikov na prvi stopnji nam bo omogočila, da odpravimo hrup, ki ga ustvari telo (ki bo pri obeh elektrodah enak). Uporabili bomo dve stopnji približno enakega dobička - to ščiti uporabnika, če je sistem povezan z osebo, tako da se ves dobiček ne zgodi na enem mestu. Ker je normalna amplituda EKG signala med 0,1 in 5 mV, želimo, da je dobiček instrumentacijskega ojačevalnika približno 100. Sprejemljivo odstopanje od dobička je 10%.

Kako ga zgraditi:

Z uporabo teh specifikacij in enačb, prikazanih v tabeli (priložene slike), smo ugotovili, da so naše vrednosti upora R1 = 1,8 kiloOhms, R2 = 8,2 kiloOhms, R3 = 1,5 kiloOhms in R4 = 15 kiloOhms. K1 je dobiček prve stopnje (OA1 in OA2), K2 pa dobiček druge stopnje (OA3). Kondenzatorji z enako kapacitivnostjo se uporabljajo za napajanje operacijskih ojačevalnikov za odstranjevanje hrupa.

Kako ga preizkusiti:

Vsak signal, ki se napaja v instrumentacijski ojačevalnik, je treba ojačati za 100. Če uporabite dB = 20log (Vout/Vin), to pomeni razmerje 40 dB. To lahko simulirate v PSpice ali CircuitLab ali preizkusite fizično napravo ali oboje!

Priložena slika osciloskopa prikazuje dobiček 1000. Za pravi EKG je to previsoko!

Korak: Zarezni filter

Zakaj ga potrebujemo:

Za odstranitev 60 Hz hrupa, ki je prisoten v vseh napajalnikih v Združenih državah, bomo uporabili zarezni filter.

Kako ga zgraditi:

Faktor kakovosti Q bomo nastavili na 8, kar bo zagotovilo sprejemljivo filtriranje in hkrati ohranilo vrednosti komponent v možnem območju. Vrednost kondenzatorja smo nastavili tudi na 0,1 μF, tako da izračuni vplivajo samo na upore. Izračunane in uporabljene vrednosti uporov so prikazane v tabeli (na slikah) ali spodaj

• Q = w/B

  nastavite Q na 8 (ali izberite svojega glede na svoje potrebe)

• w = 2*pi*f

  uporabite f = 60 Hz

• C

  nastavite na 0,1 uF (ali izberite svojo vrednost med razpoložljivimi kondenzatorji)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Izračunaj. Naša vrednost je 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Izračunaj. Naša vrednost je 424,4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Izračunaj. Naša vrednost je 1,65 kohm

Kako ga preizkusiti:

Zarezni filter mora nespremenjeno prenašati vse frekvence, razen tistih okoli 60 Hz. To je mogoče preveriti z izmeničnim tokom. Filter z ojačitvijo -20 dB pri 60 Hz velja za dober. To lahko simulirate v PSpice ali CircuitLab ali preizkusite fizično napravo ali oboje!

Ta vrsta filtra z zarezami lahko ustvari dobro zarezo pri simuliranem izmeničnem toku, vendar je fizikalni test pokazal, da so naše prvotne vrednosti ustvarile zarezo pri nižji frekvenci, kot je bilo predvideno. Da bi to odpravili, smo povečali R2 za približno 25 kohm.

Slika osciloskopa prikazuje, da filter močno zmanjša velikost vhodnega signala pri 60 Hz. Graf prikazuje izmetno čiščenje za visokokakovostni zarezni filter.

4. korak: Nizkoprepustni filter

Zakaj ga potrebujemo:

Zadnja stopnja naprave je aktivni nizkoprepustni filter. EKG signal je sestavljen iz številnih različnih valovnih oblik, od katerih ima vsaka svojo frekvenco. Vse to želimo ujeti brez visokofrekvenčnega šuma. Izbrana je standardna mejna frekvenca za EKG -monitorje 150 Hz. (Včasih se za spremljanje posebnih težav s srcem izberejo višje mejne vrednosti, za naš projekt pa bomo uporabili običajno mejo.)

Če želite narediti enostavnejše vezje, lahko uporabite tudi pasivni nizkoprepustni filter. Ta ne bo vključeval operacijskega ojačevalnika in bo sestavljen samo iz upora zapored s kondenzatorjem. Izhodna napetost se meri na kondenzatorju.

Kako ga zgraditi:

Oblikovali ga bomo kot Butterworthov filter drugega reda, katerega koeficienta a in b sta enaka 1,414214 oziroma 1. Če nastavite ojačanje na 1, se operacijski ojačevalnik spremeni v sledilnik napetosti. Izbrane enačbe in vrednosti so prikazane v tabeli (na slikah) in spodaj.

• w = 2*pi*f

  nastavljeno f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Izračunaj. Naša vrednost je 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Izračunaj. Naša vrednost je 0,033 uF

• R1 = 2/(w*(aC2+sqrt (a^2*C2^2-4b*C1*C2)))

  Izračunaj. Naša vrednost je 18,836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Izračunaj. Naša vrednost je 26.634 kohm

Kako ga preizkusiti:

Filter mora nespremenjene prenašati frekvence pod mejo. To je mogoče preizkusiti z izmeničnim tokom. To lahko simulirate v PSpice ali CircuitLab ali preizkusite fizično napravo ali oboje!

Slika osciloskopa prikazuje odziv filtra pri 100 Hz, 150 Hz in 155 Hz. Naše fizično vezje je imelo mejo bližje 155 Hz, kar je razvidno iz razmerja -3 dB.

5. korak: visokoprepustni filter

Zakaj ga potrebujemo:

Visokoprepustni filter se uporablja tako, da se frekvence pod določeno mejno vrednostjo ne zabeležijo, kar omogoča prehod čistega signala. Mejna frekvenca je izbrana na 0,5 Hz (standardna vrednost za EKG-monitorje).

Kako ga zgraditi:

Vrednosti upora in kondenzatorja, ki so potrebne za to, so prikazane spodaj. Naš dejanski odpor je bil 318,2 kohm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • nastavite f = 0,5 Hz in C = 1 uF
  • Izračunajte R. Naša vrednost je 318.310 kohm

Kako ga preizkusiti:

Filter mora nespremenjene prenašati frekvence nad mejno vrednostjo. To je mogoče preizkusiti z izmeničnim tokom. To lahko simulirate v PSpice ali CircuitLab ali preizkusite fizično napravo ali oboje!

6. korak: Nastavitev programa LabVIEW

Na diagramu poteka je predstavljen koncept zasnove dela projekta LabVIEW, ki snema signal z visoko frekvenco vzorčenja in prikazuje srčni utrip (BPM) in EKG. Naše vezje LabView vsebuje naslednje komponente: pomočnik DAQ, niz indeksov, aritmetični operaterji, zaznavanje vrhov, numerični kazalniki, graf valovne oblike, sprememba časa, identifikator max/min in številčne konstante. Pomočnik DAQ je nastavljen na neprekinjeno odvzem vzorcev s hitrostjo 1 kHz, pri čemer se število vzorcev spremeni za 3.000 do 5.000 vzorcev za namene zaznavanja vrha in jasnosti signala.

Z miškinim kazalcem poiščite različne komponente v vezju, da preberete, kje v LabVIEW -u jih najdete!

7. korak: Zbiranje podatkov

Zdaj, ko je vezje sestavljeno, je mogoče zbrati podatke in preveriti, ali deluje! Pošljite simulirani EKG skozi vezje pri 1 Hz. Rezultat bi moral biti čisti signal EKG, kjer je mogoče jasno videti kompleks QRS, val P in val T. Srčni utrip naj bi prikazal tudi 60 utripov na minuto (bpm). Za nadaljnje testiranje vezja in nastavitve LabVIEW spremenite frekvenco na 1,5 Hz in 0,5 Hz. Srčni utrip bi se moral spremeniti na 90 utripov na minuto in 30 na minuto.

Za natančnejši prikaz počasnejšega srčnega utripa boste morda morali prilagoditi nastavitve DAQ, da bo prikazano več valov na graf. To lahko storite s povečanjem števila vzorcev.

Če se odločite za testiranje naprave na človeku, se prepričajte, da napajanje, ki ga uporabljate za op ojačevalnike, omejuje tok pri 0,015 mA! Obstaja več sprejemljivih konfiguracij svinca, vendar smo se odločili, da pozitivno elektrodo postavimo na levi gleženj, negativno elektrodo na desno zapestje in ozemljitveno elektrodo na desnem gležnju, kot je prikazano na priloženi sliki.

Z uporabo nekaterih osnovnih konceptov vezja in našega znanja o človeškem srcu smo vam pokazali, kako ustvariti zabavno in uporabno napravo. Upamo, da ste uživali v naši vadnici!