Krug elektrokardiograma (EKG): 7 koraka

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

Napomena: Ovo nije medicinski uređaj. Ovo je samo u obrazovne svrhe korištenjem simuliranih signala. Ako koristite ovaj krug za stvarna mjerenja EKG-a, provjerite koriste li se strujni krug i veze kola s instrumentom odgovarajuće tehnike izolacije.

Mi smo dva studenta biomedicinskog inženjeringa i nakon što smo pohađali prvi sat kola, bili smo jako uzbuđeni i odlučili smo se poslužiti osnovama koje smo naučili učiniti nešto korisno: prikazati EKG i očitati broj otkucaja srca. Ovo bi bio najsloženiji krug koji smo dosad izgradili!

Nekoliko informacija o EKG -u:

Mnogi električni uređaji koriste se za mjerenje i bilježenje biološke aktivnosti u ljudskom tijelu. Jedan od takvih uređaja je elektrokardiogram, koji mjeri električne signale koje proizvodi srce. Ovi signali daju objektivne informacije o strukturi i funkciji srca. EKG je prvi put razvijen 1887. godine i liječnicima je dao novi način dijagnosticiranja srčanih komplikacija. EKG može otkriti srčani ritam, broj otkucaja srca, srčane udare, neadekvatnu opskrbu srca kisikom i kisikom te strukturne abnormalnosti. Koristeći jednostavan dizajn kola, može se napraviti EKG koji bi mogao pratiti sve ove stvari.

Korak 1: Materijali

Izgradnja kola

Osnovni materijali potrebni za izgradnju kola prikazani su na slikama. Oni uključuju:

• Breadboard
• Operativna pojačala
  • Sva op pojačala koja se koriste u ovom krugu su LM741.
  • Za više informacija pogledajte tehnički list:
• Otpornici
• Kondenzatori
• Žice

• Priključne elektrode

  Oni su potrebni samo ako odlučite isprobati kolo na stvarnoj osobi

Korišteni softver uključuje:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab ili PSpice za simulacije za provjeru vrijednosti

• Excel

  Ovo se jako preporučuje u slučaju da trebate promijeniti bilo koju karakteristiku vašeg kruga. Možda ćete se također morati igrati s brojevima dok ne pronađete vrijednosti otpornika i kondenzatora koje su lako dostupne. Proračuni olovkom i papirom obeshrabreni za ovaj! Priložili smo naše proračune proračunskih tablica kako bismo dali ideju

Testiranje kola

Trebat će vam i veća elektronička oprema:

• DC napajanje
• DAQ ploča za povezivanje kola sa LabVIEW -om
• Generator funkcija za ispitivanje kruga
• Osciloskop za ispitivanje kola

Korak 2: Instrumentacijsko pojačalo

Zašto nam treba:

Napravit ćemo instrumentacijsko pojačalo kako bismo pojačali malu amplitudu izmjerenu od tijela. Korištenje dva pojačala u našoj prvoj fazi omogućit će nam da poništimo šum koji stvara tijelo (koji će biti isti na obje elektrode). Koristit ćemo dvije faze približno jednakog dobitka - ovo štiti korisnika ako je sistem povezan s osobom sprječavajući da se sav dobitak dogodi na jednom mjestu. Budući da je normalna amplituda EKG signala između 0,1 i 5 mV, želimo da dobitak instrumentalnog pojačala bude oko 100. Prihvatljiva tolerancija na pojačanje je 10%.

Kako ga izgraditi:

Koristeći ove specifikacije i jednadžbe prikazane u tablici (priložene slike), ustanovili smo da su naše vrijednosti otpornika R1 = 1,8 kiloOhma, R2 = 8,2 kiloOhma, R3 = 1,5 kiloOhma i R4 = 15 kiloOhma. K1 je dobitak prve faze (OA1 i OA2), a K2 dobitak druge faze (OA3). Zaobilazni kondenzatori jednakog kapaciteta koriste se na izvorima napajanja operativnih pojačala za uklanjanje šuma.

Kako to testirati:

Svaki signal koji se dovodi u instrumentacijsko pojačalo treba pojačati za 100. Korištenjem dB = 20log (Vout/Vin) to znači omjer od 40 dB. To možete simulirati u PSpice -u ili CircuitLab -u ili testirati fizički uređaj ili oboje!

Priložena slika osciloskopa prikazuje dobitak od 1000. Za pravi EKG, ovo je previsoko!

Korak 3: Notch filter

Zašto nam treba:

Koristit ćemo urezani filter za uklanjanje šuma od 60 Hz prisutnog u svim izvorima napajanja u Sjedinjenim Državama.

Kako ga izgraditi:

Faktor kvalitete Q postavit ćemo na 8, što će osigurati prihvatljiv izlaz filtriranja uz zadržavanje vrijednosti komponenti u prihvatljivom rasponu. Također smo postavili vrijednost kondenzatora na 0,1 μF tako da proračuni utječu samo na otpornike. Izračunate i korištene vrijednosti otpornika mogu se vidjeti u tablici (na slikama) ili ispod

• Q = w/B

  postavite Q na 8 (ili odaberite vlastiti prema vlastitim potrebama)

• w = 2*pi*f

  koristite f = 60 Hz

• C

  postavite na 0,1 uF (ili odaberite vlastitu vrijednost iz dostupnih kondenzatora)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Izračunati. Naša vrijednost je 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Izračunati. Naša vrijednost je 424,4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Izračunati. Naša vrijednost je 1,65 kohm

Kako to testirati:

Urezani filter bi trebao propustiti sve frekvencije nepromijenjene osim onih oko 60 Hz. To se može provjeriti pomoću izmjenične struje. Filter s pojačanjem od -20 dB pri 60 Hz smatra se dobrim. To možete simulirati u PSpice -u ili CircuitLab -u ili testirati fizički uređaj ili oboje!

Ova vrsta filtera sa zarezima može generirati dobar zarez u simuliranoj izmjeni izmjenične struje, ali fizičko ispitivanje je pokazalo da su naše izvorne vrijednosti generirale zarez na nižoj frekvenciji od namjeravane. Da bismo to popravili, pojačali smo R2 za oko 25 kohm.

Slika osciloskopa pokazuje da filter uvelike smanjuje veličinu ulaznog signala na 60 Hz. Grafikon prikazuje izmjeničnu struju za visokokvalitetni urezani filter.

Korak 4: Niskopropusni filter

Zašto nam treba:

Posljednja faza uređaja je aktivni niskopropusni filter. EKG signal se sastoji od mnogo različitih oblika valova, od kojih svaki ima svoju frekvenciju. Želimo snimiti sve ovo, bez ikakvih visokofrekventnih šumova. Odabrana je standardna granična frekvencija za EKG monitore od 150 Hz. (Ponekad se odabiru veće granice za praćenje specifičnih srčanih problema, ali za naš projekt koristit ćemo uobičajenu granicu.)

Ako želite napraviti jednostavnije kolo, možete koristiti i pasivni niskopropusni filter. Ovo neće uključivati op pojačalo i sastojat će se samo od otpornika u seriji s kondenzatorom. Izlazni napon će se mjeriti preko kondenzatora.

Kako ga izgraditi:

Dizajnirat ćemo ga kao Butterworthov filter drugog reda, koji ima koeficijente a i b jednake 1,414214 i 1, respektivno. Postavljanje pojačanja na 1 pretvara operativno pojačalo u sljedbenik napona. Odabrane jednadžbe i vrijednosti prikazane su u tablici (na slikama) i ispod.

• w = 2*pi*f

  postavljeno f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Izračunati. Naša vrijednost je 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Izračunati. Naša vrijednost je 0,033 uF

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

  Izračunati. Naša vrijednost je 18,836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Izračunati. Naša vrijednost je 26.634 kohm

Kako to testirati:

Filter bi trebao proći frekvencije ispod granične vrijednosti nepromijenjene. To se može testirati korištenjem izmjenične struje. To možete simulirati u PSpice -u ili CircuitLab -u ili testirati fizički uređaj ili oboje!

Slika osciloskopa prikazuje odziv filtera na 100 Hz, 150 Hz i 155 Hz. Naš fizički krug imao je prekid bliže 155 Hz, što je pokazano omjerom -3 dB.

Korak 5: Visokopropusni filter

Zašto nam treba:

Visokopropusni filter se koristi tako da se frekvencije ispod određene granične vrijednosti ne bilježe, što omogućava prolazak čistog signala. Granična frekvencija je odabrana na 0,5 Hz (standardna vrijednost za EKG monitore).

Kako ga izgraditi:

Vrijednosti otpornika i kondenzatora potrebne za to su prikazane u nastavku. Naš stvarni upotrijebljeni otpor bio je 318,2 kohm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • postavljeno f = 0,5 Hz i C = 1 uF
  • Izračunajte R. Naša vrijednost je 318.310 kohm

Kako to testirati:

Filter bi trebao proći frekvencije iznad granične vrijednosti nepromijenjene. To se može testirati korištenjem izmjenične struje. To možete simulirati u PSpice -u ili CircuitLab -u ili testirati fizički uređaj ili oboje!

Korak 6: Postavljanje LabVIEW -a

Dijagram toka prikazuje koncept dizajna LabVIEW dijela projekta koji snima signal velikom brzinom uzorkovanja i prikazuje puls (BPM) i EKG. Naš LabView krug sadrži sljedeće komponente: DAQ pomoćnik, niz indeksa, aritmetički operatori, otkrivanje vrhova, numerički indikatori, grafikon valnog oblika, promjena u vremenu, maks/min identifikator i brojčane konstante. Pomoćnik DAQ -a postavljen je za uzimanje kontinuiranih uzoraka brzinom od 1 kHz, pri čemu je broj uzoraka promijenjen između 3 000 i 5 000 uzoraka radi otkrivanja vrha i jasnoće signala.

Pređite mišem preko različitih komponenti u dijagramu kola da biste pročitali gdje ih u LabVIEW -u možete pronaći!

Korak 7: Prikupljanje podataka

Sada kada je sklop sklopljen, mogu se prikupiti podaci da se vidi radi li! Pošaljite simulirani EKG kroz krug na 1 Hz. Rezultat bi trebao biti čisti EKG signal gdje se mogu jasno vidjeti QRS kompleks, P val i T val. Otkucaji srca bi također trebali prikazivati 60 otkucaja u minuti (bpm). Da biste dodatno testirali krug i LabVIEW postavku, promijenite frekvenciju na 1,5 Hz i 0,5 Hz. Otkucaji srca trebali bi se promijeniti na 90 otkucaja u minuti, odnosno 30 otkucaja u minuti.

Da bi se sporiji otkucaji srca mogli točno prikazati, možda ćete morati prilagoditi postavke DAQ -a tako da prikazuje više valova po grafikonu. To se može učiniti povećanjem broja uzoraka.

Ako odlučite testirati uređaj na ljudima, provjerite je li napajanje koje koristite za op pojačala ograničava struju na 0,015 mA! Postoji nekoliko prihvatljivih konfiguracija elektroda, ali smo odlučili postaviti pozitivnu elektrodu na lijevi gležanj, negativnu elektrodu na desni zglob i uzemljenu elektrodu na desnom gležnju, kao što se vidi na priloženoj slici.

Koristeći neke osnovne koncepte kola i naše znanje o ljudskom srcu, pokazali smo vam kako stvoriti zabavan i koristan uređaj. Nadamo se da ste uživali u našem vodiču!