Zrób własny elektrokardiogram (EKG): 6 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:32

ZAUWAŻYĆ:

To nie jest urządzenie medyczne. Służy to wyłącznie do celów edukacyjnych przy użyciu symulowanych sygnałów. Jeśli używasz tego obwodu do rzeczywistych pomiarów EKG, upewnij się, że obwód i połączenia między obwodem a przyrządem wykorzystują energię baterii i inne właściwe techniki izolacji.

[Obraz pobrany z

Krok 1: Poznaj swoje rzeczy

Elektrokardiogram (EKG) jest ważnym narzędziem wykorzystywanym przez lekarzy do monitorowania aktywności elektrycznej serca. Przydaje się do rejestrowania wszystkiego, od nieprawidłowych rytmów serca po diagnozowanie niewydolności cieplnej. Postępując zgodnie z tą instrukcją, będziesz w stanie zbudować urządzenie, które wyświetla elektrokardiogram osoby, używając tylko podstawowych umiejętności w zakresie krojenia i ogólnego sprzętu laboratoryjnego elektroniki. Gdy uzyskasz dobry sygnał wyjściowy, możesz użyć tego samego sygnału do obliczenia tętna lub innej interesującej metryki za pomocą mikrokontrolera.

-

Jeśli nie wiesz, czym jest EKG, to po prostu zapis czynności serca. Ze względu na elektryczną naturę skurczów serca można rejestrować zmianę napięcia, umieszczając elektrody na skórze i przetwarzając sygnał. Wykres tych napięć w czasie nazywany jest elektrokardiogramem (w skrócie EKG). EKG są zwykle używane do diagnozowania różnych postaci niewydolności serca lub biernego monitorowania stresu pacjenta. Zdrowe EKG ma specyficzne cechy, które są uniwersalne wśród ludzi. (Obejmuje to załamek P, załamek Q, załamek R, załamek S, załamek T i zespół QRS.) Przedstawiłem uproszczony schemat EKG z odpowiednią reakcją serca.

-

Zwróć uwagę, że każde elektryczne zdarzenie zachodzące w nerwach serca odpowiada zdarzeniu fizycznemu, które następuje w konsekwencji w tkance mięśniowej, a podczas gdy jedna część serca się kurczy, inne części się rozluźniają. W ten sposób synchronizacja sygnałów elektrycznych jest bardzo ważna w sercu, co sprawia, że EKG jest bardzo potężnym narzędziem do pomiaru zdrowia serca.

-

Jednak dla nas, aby zarejestrować rzeczywiste EKG, w grę wchodzi wiele kwestii logistycznych, takich jak rozmiar sygnału, ilość hałasu pochodzącego z reszty ciała i ilość hałasu pochodzącego z otoczenia. Aby to zrekompensować, projektujemy obwód, który będzie się składał z 3 części: wzmacniacza różnicowego zwiększającego rozmiar naszego sygnału, filtra dolnoprzepustowego eliminującego szumy sygnałów o wysokiej częstotliwości oraz filtra wycinającego usuwającego szum 60 Hz, który jest zawsze obecny w budynkach zasilanych prądem zmiennym. Poniżej opiszę szczegółowo zegarek z tymi krokami.

[Obraz zaczerpnięty z

Krok 2: Zbierz swoje zapasy

Do tego projektu będziesz potrzebować:

- 1 duża deska do krojenia chleba (jednak posiadanie 2 lub więcej będzie ładniejsze)

- 5 wzmacniaczy operacyjnych ogólnego przeznaczenia

(Użyłem UA741 z napięciem +-15 V, po prostu upewnij się, że wybrane przez Ciebie mogą wytrzymać 15 V, w przeciwnym razie będziesz musiał dostosować wartości elementów pasywnych i będziesz musiał zadowolić się mniejszym wzmocnieniem)

Rezystory

o 2x 165 omów

o 3x 1k ohm

o 2x 15 tys. omów

o 2x 33 tys. omów

o 1x 42 tys. omów

o 2x 60 tys. omów

Kondensatory

o 2x 22nF

o 2x 1 μF

o 1x 2Μf

- Mnóstwo przewodów lub zworki

- Źródło napięcia stałego zapewniające napięcie +-15 V

- Generator funkcji i oscyloskop (głównie do rozwiązywania problemów)

- Co najmniej trzy elektrody samoprzylepne, jeśli planujesz rejestrację rzeczywistego EKG

- Wystarczająco dużo kabli do podłączenia wszystkich tych bzdur

- Dogłębne zrozumienie obwodów, wzmacniaczy operacyjnych i doświadczenie z płytkami prototypowymi.

Jeśli właśnie dostałeś tabliczkę prototypową na urodziny i chcesz zrobić z niej coś fajnego, zrób przynajmniej kilka prostszych kompilacji, zanim wypróbujesz to.

-

Krok 3: Zbuduj wzmacniacz różnicowy

Wzmacniacz różnicowy jest tym, co wzmocni nasz nagrany sygnał do użytecznego poziomu, który będzie wyświetlany na oscyloskopie lub ekranie. Ten projekt obwodu uwzględni różnicę napięcia z dwóch elektrod wejściowych i wzmocni ją. Ma to na celu zmniejszenie szumów, ponieważ wspólny szum między elektrodami zostanie wyeliminowany. Sygnał EKG będzie się różnić pod względem amplitudy w zależności od umiejscowienia elektrod rejestrujących i osoby, ale zazwyczaj są rzędu kilku miliwoltów podczas rejestracji z nadgarstka. (Chociaż nie jest to konieczne w tej konfiguracji, amplitudę sygnału można zwiększyć, umieszczając elektrody na klatce piersiowej, ale kompromisem jest hałas związany z ruchem płuc).

-

Dołączyłem schemat instalacji. Obwód na zdjęciu powinien wzmocnić twój sygnał ~1000-krotnie. Może być konieczne dostosowanie tego w zależności od typu wzmacniacza operacyjnego, którego zdecydowałeś się użyć. Szybkim sposobem na dostosowanie tego jest zmiana wartości R1. Obcinając wartość R1 o połowę, podwoisz wzmocnienie wyjściowe i na odwrót.

-

Zakładam, że większość z was może przetłumaczyć ten obwód na płytkę prototypową, niemniej jednak zamieściłem schemat konfiguracji płytki prototypowej, aby usprawnić proces i, miejmy nadzieję, skrócić czas rozwiązywania problemów. Dla Twojej wygody załączyłem również zdjęcie pinoutu UA741 (lub LM741). (do swoich celów nie będziesz potrzebować pinów 1, 5 lub 8) Piny V+ i V- na wzmacniaczu operacyjnym zostaną podłączone odpowiednio do zasilania +15 V i -15 V. -15V to nie to samo co uziemienie! Możesz zignorować kondensatory na mojej płytce stykowej. Są to kondensatory obejściowe przeznaczone do usuwania szumów AC, ale z perspektywy czasu nie były warte wysiłku.

-

Zalecam przetestowanie każdego etapu po jego ukończeniu, aby rozwiązać problem. Jak pokazuje obwód, możesz podłączyć jedno z wejść do masy, a drugie do małego źródła prądu stałego, aby sprawdzić wzmocnienie. (upewnij się, że wprowadziłeś <15 mV, w przeciwnym razie nasycisz wzmacniacze operacyjne). Jeśli potrzebujesz zmniejszyć swoje wzmocnienie do testów, nie przejmuj się, wszystko powyżej 500-krotnego wzmocnienia będzie wystarczające dla naszych celów. Co więcej, jeśli zbudowałeś swój obwód tak, aby miał wzmocnienie 1000 i pokazuje tylko wzmocnienie 800, to nie jest koniec świata, dokładna liczba nie jest krytyczna.

-

Krok 4: Zbuduj filtr wycinający

Teraz, gdy możemy wzmocnić nasz sygnał, spójrzmy na jego wyczyszczenie. Jeśli podłączysz teraz elektrody do naszego obwodu, prawdopodobnie będzie miał tonę hałasu 60 Hz. To dlatego, że większość budynków jest okablowana prądem przemiennym 60 Hz, co powoduje nieuchronnie duże sygnały szumowe. Aby temu zaradzić, zbudujemy filtr notch 60 Hz. Filtr wycinający ma na celu tłumienie bardzo określonych częstotliwości i pozostawienie nietkniętych innych częstotliwości; idealny do pozbycia się szumu 60 Hz.

-

Tak jak poprzednio, dołączyłem zdjęcie schematu obwodu, konfigurację płytki stykowej i mój własny obwód. Uwaga, chociaż filtr wycinający jest stosunkowo łatwym etapem do zbudowania, zajęło mi najwięcej czasu, zanim zacząłem działać. Moje wejście było dobrze tłumione, ale przy 63 Hz zamiast 60 Hz, co go nie ogranicza. Jeśli napotkasz ten sam problem, zalecam zmianę wartości R14. (Wzrost rezystancji R14 obniży częstotliwość tłumienia i odwrotnie). Jeśli masz skrzynkę z rezystorem zmiennym, użyj go do zastąpienia R14, a następnie baw się wartościami rezystancji, aby dowiedzieć się dokładnie, co działa najlepiej, ponieważ będzie czułe na zmiany rzędu jednego oma. Skończyło się na 175 omowym R14, ale teoretycznie najlepiej pasuje do R12.

-

Ponownie, możesz przetestować ten etap, używając generatora funkcji, aby wprowadzić falę sinusoidalną 60 Hz i zarejestrować wyjście na oscyloskopie. Twoja moc wyjściowa powinna wynosić około -20 dB lub 10% amplitudy sygnału wejściowego. Jak powiedziałem wcześniej, możesz sprawdzić pobliskie częstotliwości w celu optymalizacji.

-

Krok 5: Zbuduj filtr dolnoprzepustowy

Jak wspomniano wcześniej, kolejnym ważnym czynnikiem jest zmniejszenie hałasu z twojego ciała i wszystkiego, co zakłóca pomieszczenie, w którym się znajdujesz. Filtr dolnoprzepustowy jest w tym dobry, ponieważ jeśli chodzi o sygnały, twoje bicie serca jest dość wolne. Naszym celem z filtrem dolnoprzepustowym jest wyeliminowanie wszystkich sygnałów, które zawierają częstotliwości wyższe niż EKG. Aby to zrobić, musimy zrobić wyznaczenie „częstotliwości odcięcia”. W naszym przypadku wszystko powyżej tej częstotliwości chcemy wyeliminować, a poniżej tej częstotliwości chcemy zachować. Podczas gdy bicie serca jest rzędu od 1 do 3 Hz, poszczególne kształty fal, które tworzą nasze EKG, składają się z częstotliwości znacznie wyższych niż ta; blisko 1 do 50 Hz. Z tego powodu wybrałem częstotliwość graniczną 80 Hz. Jest wystarczająco wysoki, aby utrzymać wszystkie przydatne komponenty w sygnale, ale nadal odcina hałas z radia HAM, które masz w sąsiednim pomieszczeniu.

-

Nie mam żadnych mądrych rad dotyczących filtra dolnoprzepustowego, jest to bardzo proste w porównaniu z innymi stopniami. Podobnie jak we wzmacniaczu, nie martw się o precyzyjne odcięcie przy 80 Hz; to nie jest kluczowe i nie wydarzy się realistycznie. Niemniej jednak powinieneś sprawdzić jego wyjście za pomocą generatora funkcji. Z reguły fala sinusoidalna powinna przejść przez filtr nietknięta przy częstotliwości 10 Hz i powinna być przecięta na pół o 130 Hz.

-

Krok 6: Podłącz to

Jeśli dotarłeś tak daleko, gratulacje! Masz wszystkie składniki EKG. Wszystko, co musisz zrobić, to połączyć je ze sobą, uderzyć w elektrody i podłączyć wyjście do oscyloskopu, aby zobaczyć swoje EKG!

-

Jeśli nie masz pewności, jak założyć elektrody, zalecam przyklejenie elektrod wejściowych do nadgarstków (po jednej na każdym nadgarstku) i podłączenie elektrody uziemiającej do nogi (może pomóc zdjęcie). Przypominamy, że każda elektroda wejściowa powinna idź dodatnie wejście na wzmacniacze operacyjne we wzmacniaczu. (Jest uziemiony na schemacie tylko w celach symulacyjnych)

-

Po podłączeniu podłącz wyjście filtra dolnoprzepustowego do oscyloskopu i bądź z siebie dumny! Spraw, aby wszystkie Twoje dzieci przyszły, założyły elektrody i spojrzały na bicie ich serc. Heck, spraw, aby twoi sąsiedzi przyszli wypróbować to. Jeśli czujesz się bardziej zmotywowany, podłącz wyjście do mikrokontrolera, aby obliczyć tętno z singla. (Prawdopodobnie chcesz obniżyć wzmocnienie, zanim to zrobisz, może usmażyć deskę, której używasz). Niezależnie od tego, gratulacje z okazji budowy i miłego tworzenia!

[Obraz zaczerpnięty z