Napravite vlastiti elektrokardiogram (EKG): 6 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

BILJESKA:

Ovo nije medicinski uređaj. Ovo je samo u obrazovne svrhe, koristeći simulirane signale. Ako koristite ovaj krug za stvarna mjerenja EKG-a, provjerite da li krug i veze kola s instrumentom koriste energiju baterije i druge odgovarajuće tehnike izolacije.

[Slika preuzeta sa

Korak 1: Upoznajte svoje stvari

Elektrokardiogram (EKG) važan je alat koji liječnici koriste za praćenje električne aktivnosti srca. Korisno je u snimanju svega, od abnormalnih srčanih ritmova do dijagnosticiranja zatajenja topline. Slijedeći ovaj Instructable, moći ćete izgraditi uređaj koji prikazuje elektrokardiogram osobe koja koristi samo osnovne vještine za izradu matične ploče i opću laboratorijsku opremu za elektroniku. Kad dobijete dobar izlaz signala, mogli biste upotrijebiti isti signal za izračunavanje otkucaja srca ili neku drugu zanimljivu metriku pomoću mikrokontrolera.

-

Ako ne znate što je EKG, to je jednostavno snimka srčane aktivnosti. Zbog električne prirode srčanih kontrakcija, promjena napona može se zabilježiti postavljanjem elektroda na kožu i obradom signala. Grafikon ovih napona tokom vremena naziva se elektrokardiogram (skraćeno EKG). EKG se obično koristi za dijagnosticiranje različitih oblika zatajenja srca ili za pasivno praćenje stresa pacijenta. Zdrav EKG ima specifične karakteristike koje su univerzalne za ljude. (Ovo uključuje P-val, Q-val, R-val, S-val, T-val i QRS kompleks.) Dao sam pojednostavljeni dijagram EKG-a sa odgovarajućom reakcijom srca.

-

Imajte na umu da svaki električni događaj koji se događa u živcima srca odgovara fizičkom događaju koji se posljedično javlja u mišićnom tkivu, a dok se jedan dio srca kontraktira, drugi se dijelovi opuštaju. Na taj način je vrijeme električnih signala vrlo važno u srcu, što čini EKG vrlo moćnim alatom za mjerenje zdravlja srca.

-

Međutim, da bismo zabilježili stvarni EKG, pojavljuju se mnogi logistički problemi, poput veličine signala, količine buke koja dolazi iz ostatka tijela i količine buke koja dolazi iz okoline. Kako bismo to kompenzirali, dizajniramo krug koji će se sastojati od 3 dijela: diferencijalno pojačalo za povećanje veličine našeg signala, niskopropusni filter za uklanjanje šumova visokofrekventnih signala i urezni filter za uklanjanje šuma od 60 Hz koji je uvijek prisutan u zgradama koje imaju napajanje naizmjeničnom strujom. U nastavku ću vam detaljno opisati promatranje ovih koraka.

[Slika preuzeta sa

Korak 2: Prikupite zalihe

Za ovaj projekat trebat će vam:

- 1 velika ploča (iako će 2 ili više biti ljepše)

- 5 op-pojačala opće namjene

(Koristio sam UA741 sa +-15 V, samo pazite da oni koje odaberete mogu podnijeti 15 volti, u protivnom ćete morati prilagoditi vrijednosti svojih pasivnih komponenti i morat ćete se zadovoljiti manjim pojačanjem)

Otpornici

o 2x 165 ohma

o 3x 1 k ohm

o 2x 15k ohm

o 2x 33k ohm

o 1x 42k ohm

o 2x 60k ohm

Kondenzatori

o 2x 22nF

o 2x 1μF

o 1x 2Μf

- Mnoštvo ili kratkospojnih žica

- Izvor istosmjernog napona koji može dati +-15 V

- Generator funkcija i osciloskop (uglavnom za rješavanje problema)

- Najmanje tri ljepljive elektrode ako planirate snimiti stvarni EKG

- Dovoljno kabela za povezivanje svih ovih gluposti

- Čvrsto razumijevanje krugova, op-pojačala i iskustvo sa matičnim pločama.

Ako ste upravo dobili ploču za rođendan i želite pokušati s njom napraviti nešto cool, napravite barem nekoliko jednostavnijih verzija prije nego što isprobate ovo.

-

Korak 3: Izgradite diferencijalno pojačalo

Diferencijalno pojačalo je ono što će pojačati naš snimljeni signal na upotrebljivu razinu za prikaz na opsegu ili ekranu. Ovaj dizajn kola će uzeti razliku u naponu s dvije ulazne elektrode i pojačati je. To se radi kako bi se smanjila buka jer će se ukloniti uobičajena buka između elektroda. EKG signal će varirati u amplitudi ovisno o položaju elektroda za snimanje i pojedincu, ali je obično redoslijed nekoliko milivolti pri snimanju sa zglobova. (Iako ovo nije potrebno za ovu postavku, amplituda signala može se povećati postavljanjem elektroda na grudi, ali kompromis je šum od kretanja pluća.)

-

Uključio sam šemu podešavanja. Krug na slici trebao bi pojačati vaš signal ~ 1000 puta. Možda ćete ovo morati prilagoditi ovisno o vrsti op-pojačala koje ste odlučili koristiti. Brz način da to prilagodite je promjenom vrijednosti R1. Smanjivanjem vrijednosti R1 na pola udvostručit ćete izlazno pojačanje i obrnuto.

-

Pretpostavljam da većina vas može prevesti ovo kolo na matičnu ploču, no ipak sam uključio dijagram postavljanja matične ploče kako bi pojednostavio proces i nadam se smanjio vrijeme rješavanja problema. Uključio sam i sliku iscrtavanja UA741 (ili LM741) radi vaše udobnosti. (za vaše potrebe neće vam biti potrebni pinovi 1, 5 ili 8) V + i V- pinovi na op-pojačalu bit će spojeni na vaše napajanje +15 V i -15 V. -15V nije isto što i uzemljenje! Možete zanemariti kondenzatore na mojoj ploči. Oni su zaobilazni kondenzatori namijenjeni uklanjanju izmjenične buke, ali unatrag nisu bili vrijedni truda.

-

Preporučujem testiranje svake faze dok je dovršite za rješavanje problema. Kako krug pokazuje, možete spojiti jedan od ulaza na masu, a drugi na mali izvor istosmjerne struje kako biste provjerili pojačanje. (pazite da unesete <15 mV inače ćete zasititi op-pojačala). Ako trebate smanjiti dobitak za testiranje, nemojte se mučiti, sve što je iznad 500 puta veće dobit će biti dovoljno za naše svrhe. Štaviše, ako ste svoje kolo izgradili tako da ima dobit od 1000, a pokazuje samo dobitak od 800, to nije kraj svijeta, tačan broj nije kritičan.

-

Korak 4: Izradite Notch filter

Sada kada možemo pojačati naš signal, pogledajmo kako ga očistiti. Ako ste sada priključili elektrode na naše kolo, vjerojatno bi imalo tonu šuma od 60 Hz. To je zato što je većina zgrada ožičena izmjeničnom strujom od 60 Hz, što uzrokuje neizbježno velike signale šuma. Da bismo to riješili, izgradit ćemo filter sa zarezima od 60 Hz. Urezani filter je dizajniran da priguši vrlo određene frekvencije i ostavi ostale frekvencije netaknutima; savršen za uklanjanje šuma od 60 Hz.

-

Kao i prije, uključio sam sliku sheme kola, postavke matične ploče i vlastitog kola. Kao napomenu, iako je urezni filter relativno laka faza za izgradnju, trebalo mi je najduže da počnem raditi. Moj ulaz je bio dobro prigušen, ali na 63 Hz umjesto na 60 Hz, što ga neće smanjiti. Ako naiđete na isti problem, preporučujem vam da promijenite vrijednost R14. (Povećanje otpora R14 smanjit će vašu frekvenciju prigušenja i obrnuto). Ako imate kutiju s promjenjivim otpornikom, upotrijebite je za zamjenu R14, a zatim igračku s vrijednostima otpora kako biste saznali što najbolje funkcionira jer će biti osjetljiva na promjene u redoslijedu pojedinačnih ohma. Završio sam sa 175 ohma R14, ali u teoriji najbolje odgovara R12.

-

Ponovo, ovu fazu možete testirati pomoću generatora funkcija za unos sinusnog vala od 60 Hz i snimiti vaš izlaz na osciloskopu. Vaš izlaz bi trebao biti oko -20 dB ili 10% amplitude ulaza. Kao što sam već rekao, možete provjeriti obližnje frekvencije radi optimizacije.

-

Korak 5: Izgradite niskopropusni filter

Kao što je već spomenuto, još jedan važan faktor je smanjenje buke iz vašeg tijela i bilo čega drugog što zatvara prostoriju u kojoj se nalazite. Niskopropusni filter je dobar u tome jer, što se tiče signala, otkucaji vašeg srca su prilično spori. Naš cilj s niskopropusnim filterom je eliminirati sve signale koji sadrže frekvencije veće od vašeg EKG-a. Da bismo to učinili, moramo napraviti oznaku "granične frekvencije". U našem slučaju, sve iznad ove frekvencije želimo eliminirati, a sve ispod ove frekvencije želimo zadržati. Dok se otkucaji srca javljaju od 1 do 3 Herca, pojedinačni talasni oblici koji čine naš EKG sastavljeni su od frekvencija koje su mnogo veće od ove; blizu 1 do 50 herca. Zbog toga sam odabrao graničnu frekvenciju od 80 Hz. Dovoljno je visok da zadrži sve korisne komponente u signalu, ali i dalje isključuje šum HAM radija koji imate u susjednoj prostoriji.

-

Nemam savjet mudraca o niskopropusnom filtru, vrlo je jednostavan u usporedbi s ostalim fazama. Slično pojačalu, ne brinite o tome da ćete dobiti precizno granično ograničenje na 80 Hz; ovo nije presudno i neće se realno dogoditi. Ipak, trebali biste provjeriti njegov izlaz pomoću generatora funkcija. Po pravilu, sinusni val bi trebao proći kroz filter netaknut na 10 Hz i trebao bi se prepoloviti za 130 Hz.

-

Korak 6: Priključite

Ako ste uspeli do sada, svaka čast! Imate sve komponente EKG -a. Sve što trebate učiniti je spojiti ih zajedno, udariti elektrode i spojiti izlaz na osciloskop da vidite svoj EKG!

-

U slučaju da niste sigurni kako staviti elektrode, preporučujem da zalijepite ulazne elektrode na zglobove (po jednu na svakom ručnom zglobu) i povežete uzemljenu elektrodu s nogom (slika može pomoći.) Podsjećamo, svaka ulazna elektroda bi trebala ići pozitivan ulaz na op-pojačala u pojačalu. (Uzemljen je samo u dijagramu spoja radi simulacije)

-

Kad se povežete, spojite izlaz niskopropusnog filtra na osciloskop i budite ponosni na sebe! Neka vaša djeca dođu staviti elektrode i pogledati njihove otkucaje srca. Dovraga, natjerajte susjede da dođu isprobati. Ako se osjećate dodatno motivirano, spojite izlaz na mikrokontroler kako biste izračunali broj otkucaja srca iz singla. (Vjerovatno želite smanjiti pojačanje prije nego što to učinite, moglo bi ispržiti ploču koju koristite). Bez obzira na sve, čestitamo na izgradnji i sretno!

[Slika preuzeta sa