EKG i monitor otkucaja srca: 7 koraka (sa slikama)

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

OBAVIJEST: 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.

Jedan od najvažnijih dijagnostičkih alata koji se koristi za otkrivanje ovih stanja je elektrokardiogram (EKG). Elektrokardiogram djeluje tako da prati električni impuls kroz vaše srce i prenosi ga natrag do aparata [1]. Signal se hvata s elektroda postavljenih na tijelu. Postavljanje elektroda ključno je za hvatanje fizioloških signala jer djeluju bilježeći razliku potencijala po cijelom tijelu. Standardno postavljanje elektroda je korištenje Einthovenova trokuta. Ovdje se jedna elektroda postavlja na desnu ruku, lijevu ruku i lijevu nogu. Lijeva noga djeluje kao tlo za elektrode i preuzima frekvencijski šum u tijelu. Desna ruka ima negativnu elektrodu, a lijeva ima pozitivnu elektrodu za izračunavanje razlike potencijala u prsima i stoga prikuplja električnu energiju iz srca [2]. Cilj ovog projekta bio je stvoriti uređaj koji može uspješno nabaviti EKG signal i jasno reproducira signal bez šuma i uz dodatak mjerenja otkucaja srca.

Korak 1: Materijali i alati

• Razni otpornici i kondenzatori
• Breadboard
• Generator funkcija
• Osciloskop
• DC napajanje
• Op-pojačala
• Računar sa instaliranim LABView -om
• BNC kablovi
• DAQ asistent

Korak 2: Napravite instrumentacijsko pojačalo

Kako bi se na odgovarajući način pojačao bioelektrični signal, ukupni dobitak dvostupanjskog instrumentacijskog pojačala trebao bi biti 1000. Svaki stupanj se množi kako bi se dobio ukupni dobitak, a jednadžbe korištene za izračunavanje pojedinih stupnjeva prikazane su u nastavku.

1. stupanj pojačanja: K1 = 1+2*R2/R1 2. stupanj pojačanja: K2 = -R4/R3

Koristeći gornje jednadžbe, vrijednosti otpornika koje smo koristili bile su R1 = 10kΩ, R2 = 150kΩ, R3 = 10kΩ i R4 = 33kΩ. Kako biste bili sigurni da će ove vrijednosti pružiti željeni izlaz, možete ga simulirati na mreži ili ga testirati pomoću osciloskopa nakon izgradnje fizičkog pojačala.

Nakon spajanja odabranih otpornika i op-pojačala u matičnu ploču, morat ćete napajati op-pojačala ± 15V iz istosmjernog napajanja. Zatim spojite generator funkcija na ulaz instrumentacijskog pojačala, a osciloskop na izlaz.

Gornja fotografija prikazuje kompletno instrumentacijsko pojačalo koje će izgledati kao na osnovnoj ploči. Da biste provjerili radi li ispravno, postavite funkcijski generator da proizvodi sinusni val na 1 kHz s amplitudom od vrha do vrha od 20 mV. Izlaz pojačala na osciloskopu bi trebao imati amplitudu od vrha do vrha od 20 V, budući da postoji dobitak od 1000, ako radi ispravno.

Korak 3: Izradite Notch Filter

Zbog buke dalekovoda, bio je potreban filter za filtriranje buke na 60Hz, što je buka dalekovoda u Sjedinjenim Državama. Korišten je urezani filter jer filtrira određenu frekvenciju. Za izračunavanje vrijednosti otpornika korištene su sljedeće jednadžbe. Kvalitativni faktor (Q) od 8 dobro je funkcionirao, a vrijednosti kondenzatora od 0,1 uF odabrane su radi lakše gradnje. Učestalost u jednačinama (prikazana kao w) je zarezna frekvencija 60Hz pomnožena sa 2π.

R1 = 1/(2QwC)

R2 = 2Q/(wC)

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

Koristeći gornje jednadžbe, vrijednosti otpornika koje smo koristili bile su R1 = 1,5 kΩ, R2 = 470 kΩ i R3 = 1,5 kΩ. Kako biste bili sigurni da će ove vrijednosti osigurati željeni izlaz, možete ga simulirati na mreži ili ga testirati pomoću osciloskopa nakon izgradnje fizičkog pojačala.

Gornja slika prikazuje kako će dovršeni urezani filter izgledati na matičnoj ploči. Postavljanje op-pojačala je isto kao i instrumentacijsko pojačalo, a generator funkcija sada bi trebao biti postavljen tako da proizvodi sinusni val na 1 kHz s amplitudom od vrha do vrha od 1V. Ako izvodite AC Sweep, trebali biste biti u mogućnosti provjeriti jesu li frekvencije oko 60Hz filtrirane.

Korak 4: Izgradite niskopropusni filter

Kako bi se filtrirao visokofrekventni šum koji nije povezan s EKG-om, napravljen je niskopropusni filter sa graničnom frekvencijom od 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)

Koristeći gornje jednadžbe, vrijednosti otpornika koje smo koristili bile su R1 = 12kΩ, R2 = 135kΩ, C1 = 0,01 µF i C2 = 0,068 µF. Vrijednosti za R3 i R4 na kraju su bile nule jer smo htjeli da dobitak, K, filtera bude nula, stoga smo ovdje u fizičkom postavljanju koristili žice umjesto otpornika. Kako biste bili sigurni da će ove vrijednosti osigurati željeni izlaz, možete ga simulirati na mreži ili ga testirati pomoću osciloskopa nakon izgradnje fizičkog pojačala.

Za izradu fizičkog filtera, spojite odabrane otpornike i kondenzatore na op-pojačalo kako je prikazano na shemi. Uključite op-pojačalo i spojite generator funkcija i osciloskop na isti način kako je opisano u prethodnim koracima. Podesite generator funkcija da proizvodi sinusni val na 150Hz i s amplitudom od vrha do vrha od oko 1 V. Budući da bi 150Hz trebala biti granična frekvencija, ako filter radi ispravno, veličina bi trebala biti 3dB na ovoj frekvenciji. Ovo će vam reći je li filter pravilno postavljen.

Korak 5: Povežite sve komponente zajedno

Nakon izgradnje svake komponente i njihovog zasebnog testiranja, svi se mogu povezati u seriju. Spojite funkcijski generator na ulaz instrumentacijskog pojačala, a zatim spojite njegov izlaz na ulaz urezanog filtera. Učinite to ponovo spajanjem izlaza urezanog filtera na ulaz niskopropusnog filtera. Izlaz niskopropusnog filtera bi se zatim trebao spojiti na osciloskop.

Korak 6: Postavite LabVIEW

EKG talasni otkucaji srca tada su snimljeni pomoću DAQ asistenta i LabView -a. DAQ pomoćnik prikuplja analogne signale i definira parametre uzorkovanja. Povežite DAQ pomoćnika sa generatorom funkcija koji emituje srčani signal i sa računarom pomoću LabView -a. Postavite LabView prema gore prikazanoj shemi. DAQ asistent će unijeti srčani val iz generatora funkcija. Dodajte grafikon valnog oblika u postavku LabView -a za pregled grafikona. Pomoću numeričkih operatora postavite prag za najveću vrijednost. Na prikazanoj shemi korišteno je 80%. Analizu vrhova također treba koristiti za pronalaženje vršnih lokacija i njihovo povezivanje s promjenom u vremenu. Pomnožite vršnu frekvenciju sa 60 kako biste izračunali otkucaje u minuti i ovaj broj je prikazan pored grafikona.

Korak 7: Sada možete snimiti EKG

[1] “Elektrokardiogram - Informativni centar za srce Teksaškog instituta za srce.” [Online]. Dostupno: https://www.texasheart.org/HIC/Topics/Diag/diekg.cfm. [Pristupljeno: 09. 12. 2017.].

[2] "EKG vodi, polaritet i Einthovenov trokut - studentski fiziolog." [Online]. Dostupno: https://thephysiologist.org/study-materials/the-ecg-leads-polarity-and-einthovens-triangle/. [Pristupljeno: 10. decembra 2017.].