EKG in merilnik srčnega utripa: 7 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:08

OBVESTILO: 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.

Eno najpomembnejših diagnostičnih orodij za odkrivanje teh stanj je elektrokardiogram (EKG). Elektrokardiogram deluje tako, da sledi električnemu impulzu skozi vaše srce in ga pošlje nazaj v stroj [1]. Signal se ujame iz elektrod, nameščenih na telesu. Namestitev elektrod je ključnega pomena za zajemanje fizioloških signalov, saj delujejo tako, da beležijo razliko potenciala po telesu. Standardna postavitev elektrod je uporaba Einthovenovega trikotnika. Tukaj je ena elektroda nameščena na desni roki, levi roki in levi nogi. Leva noga deluje kot podlaga za elektrode in zajema frekvenčni hrup v telesu. Na desni roki je negativna elektroda, na levi pa pozitivna elektroda za izračun potencialne razlike v prsih in s tem pobiranje električne energije iz srca [2]. Cilj tega projekta je bil ustvariti napravo, ki lahko uspešno pridobi EKG signal in jasno reproducira signal brez šuma in z dodatkom merjenja srčnega utripa.

Korak: Materiali in orodja

• Različni upori in kondenzatorji
• Ogledna plošča
• Generator funkcij
• Osciloskop
• DC napajanje
• Op-ojačevalniki
• Računalnik z nameščenim programom LABView
• BNC kabli
• Pomočnik DAQ

Korak: Zgradite instrumentacijski ojačevalnik

Za ustrezno ojačanje bioelektričnega signala mora biti skupni dobiček dvostopenjskega instrumentacijskega ojačevalnika 1000. Vsaka stopnja se pomnoži, da se dobi skupni dobiček, enačbe, uporabljene za izračun posameznih stopenj, pa so prikazane spodaj.

1. stopnja dobička: K1 = 1+2*R2/R1 2. stopnja dobička: K2 = -R4/R3

Z uporabo zgornjih enačb smo uporabili vrednosti upora R1 = 10kΩ, R2 = 150kΩ, R3 = 10kΩ in R4 = 33kΩ. Da bi zagotovili, da bodo te vrednosti zagotovile želeni izhod, ga lahko simulirate na spletu ali pa ga preizkusite z osciloskopom po izdelavi fizičnega ojačevalnika.

Po priključitvi izbranih uporov in op-ojačevalnikov v matično ploščo boste morali op-ojačevalnike ± 15 V napajati iz enosmernega napajanja. Nato priključite funkcijski generator na vhod instrumentacijskega ojačevalnika, osciloskop pa na izhod.

Zgornja fotografija prikazuje, da bo dokončan instrumentacijski ojačevalnik videti kot na mizo. Če želite preveriti, ali deluje pravilno, nastavite funkcijski generator, da proizvaja sinusni val pri 1 kHz z amplitudo od vrha do vrha 20 mV. Izhod ojačevalnika na osciloskopu bi moral imeti amplitudo od vrha do vrha 20 V, saj je dobitek 1000, če deluje pravilno.

Korak: Zgradite Notch Filter

Zaradi hrupa daljnovoda je bil potreben filter za filtriranje hrupa pri 60Hz, kar je hrup daljnovoda v Združenih državah. Uporabili smo zarezni filter, saj filtrira določeno frekvenco. Naslednje enačbe so bile uporabljene za izračun vrednosti upora. Kvalitativni faktor (Q) 8 je dobro deloval in vrednosti kondenzatorja 0,1 μF so bile izbrane za lažjo gradnjo. Frekvenca v enačbah (prikazana kot w) je zarezna frekvenca 60Hz, pomnožena z 2π.

R1 = 1/(2QwC)

R2 = 2Q/(wC)

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

Z uporabo zgornjih enačb smo uporabili vrednosti upora R1 = 1,5 kΩ, R2 = 470 kΩ in R3 = 1,5 kΩ. Da bi zagotovili, da bodo te vrednosti zagotovile želeni izhod, ga lahko simulirate na spletu ali pa ga preizkusite z osciloskopom po izdelavi fizičnega ojačevalnika.

Na zgornji sliki je prikazano, kako bo dokončan filter z zarezami videti na plošči. Nastavitev za op-ojačevalnike je enaka instrumentnemu ojačevalniku, funkcijski generator pa bi moral biti zdaj nastavljen tako, da proizvaja sinusni val pri 1 kHz z amplitudo od vrha do vrha 1V. Če izvajate AC Sweep, morate preveriti, ali so frekvence okoli 60Hz filtrirane.

4. korak: Zgradite nizkoprepustni filter

Za filtriranje visokofrekvenčnega hrupa, ki ni povezan z EKG, je bil ustvarjen nizkoprepustni filter z mejno frekvenco 150 Hz.

R1 = 2/(w [aC2+sqrt (a2+4b (K-1)) C2^2-4b*C1*C2)

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

R3 = K (R1+R2)/(K-1)

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

R4 = K (R1+R2)

Z uporabo zgornjih enačb smo uporabili vrednosti upora R1 = 12kΩ, R2 = 135kΩ, C1 = 0,01 µF in C2 = 0,068 µF. Vrednosti za R3 in R4 so bile na koncu nič, saj smo želeli, da je dobiček, K, filtra nič, zato smo tukaj pri fizični nastavitvi namesto uporov uporabili žice. Da bi zagotovili, da bodo te vrednosti zagotovile želeni izhod, ga lahko simulirate na spletu ali pa ga preizkusite z osciloskopom po izdelavi fizičnega ojačevalnika.

Za izdelavo fizičnega filtra priključite izbrane upore in kondenzatorje na op-amp, kot je prikazano na shemi. Vklopite op-amp in povežite funkcijski generator in osciloskop na enak način, kot je opisano v prejšnjih korakih. Funkcijski generator nastavite tako, da proizvaja sinusni val pri 150 Hz in z amplitudo od vrha do vrha približno 1 V. Ker bi morala biti frekvenca mejne vrednosti 150 Hz, če filter deluje pravilno, bi morala biti pri tej frekvenci velikost 3 dB. To vam bo povedalo, ali je filter pravilno nastavljen.

5. korak: Povežite vse komponente skupaj

Ko sestavite vsako komponento in jih preizkusite ločeno, jih lahko vse zaporedno povežete. Priključite funkcijski generator na vhod instrumentacijskega ojačevalnika, nato priključite njegov izhod na vhod zareznega filtra. To ponovite tako, da priključite izhod zarezanega filtra na vhod nizkoprepustnega filtra. Izhod nizkoprepustnega filtra se mora nato povezati z osciloskopom.

6. korak: Namestite LabVIEW

EKG valovno obliko srčnega utripa smo nato posneli s pomočjo asistenta DAQ in LabView. Pomočnik DAQ pridobi analogne signale in določi parametre vzorčenja. Pomočnika DAQ povežite z generatorjem funkcij, ki oddaja srčni srčni signal, in z računalnikom z LabView. Nastavite LabView v skladu s shemo, prikazano zgoraj. Pomočnik DAQ bo vnesel srčni val iz generatorja funkcij. Graf valovne oblike dodajte tudi v nastavitev LabView za ogled grafa. Z numeričnimi operaterji nastavite prag za največjo vrednost. Na prikazani shemi je bilo uporabljenih 80%. Analizo vrhov je treba uporabiti tudi za iskanje vrhunskih lokacij in njihovo povezavo s časovno spremembo. Največjo frekvenco pomnožite s 60, da izračunate utripe na minuto in to število je bilo prikazano poleg grafa.

7. korak: Zdaj lahko posnamete EKG

[1] "Elektrokardiogram - Informacijski center za srce Teksaškega srčnega inštituta." [Na spletu]. Na voljo: https://www.texasheart.org/HIC/Topics/Diag/diekg.cfm. [Dostop: 09. 12. 2017].

[2] "EKG vodi, polarnost in Einthovnov trikotnik - študent fiziolog." [Na spletu]. Na voljo: https://thephysiologist.org/study-materials/the-ecg-leads-polarity-and-einthovens-triangle/. [Dostop: 10. december 2017].