Obwód EKG: 7 kroków

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

EKG to test, który mierzy aktywność elektryczną serca poprzez rejestrowanie rytmu i aktywności serca. Działa poprzez pobieranie i odczytywanie sygnałów z serca za pomocą przewodów podłączonych do urządzenia elektrokardiografu. Ten instruktaż pokaże Ci, jak zbudować obwód, który rejestruje, filtruje i wyświetla sygnał bioelektryczny serca. To nie jest urządzenie medyczne. Służy to wyłącznie celom edukacyjnym przy użyciu symulowanych sygnałów. Jeśli używasz tego obwodu do rzeczywistych pomiarów EKG, upewnij się, że obwód i połączenia między obwodem a przyrządem wykorzystują odpowiednie techniki izolacji.

Ten obwód zawiera trzy różne stopnie połączone szeregowo z programem LabView. Rezystory we wzmacniaczu oprzyrządowania zostały obliczone ze wzmocnieniem 975, aby zapewnić, że małe sygnały z serca mogą być nadal odbierane przez obwód. Filtr wycinający usuwa szum 60 Hz z gniazdka w ścianie. Filtr dolnoprzepustowy zapewnia, że szumy o wysokiej częstotliwości są usuwane z obwodu w celu lepszego wykrywania sygnału.

Przed rozpoczęciem tej instrukcji warto zapoznać się ze wzmacniaczem operacyjnym ogólnego przeznaczenia uA741. Różne piny we wzmacniaczu operacyjnym mają różne cele i obwód nie będzie działał, jeśli zostaną nieprawidłowo podłączone. Nieprawidłowe podłączenie pinów do płytki stykowej jest również łatwym sposobem na usmażenie wzmacniacza operacyjnego i uniemożliwienie jego działania. Poniższy link zawiera schemat użyty dla wzmacniaczy operacyjnych w tej instrukcji.

Źródło obrazu:

Krok 1: Zbierz materiały

Materiały potrzebne do wszystkich 3 etapów filtrowania:

• Oscyloskop
• Generator funkcyjny
• Zasilanie (+15V, -15V)
• Płytka stykowa bez lutowania
• Różne kable bananowe i zaciski krokodylkowe
• Naklejki na elektrody EKG
• Różne przewody połączeniowe

Wzmacniacz oprzyrządowania:

• 3 wzmacniacze operacyjne (uA741)

• Rezystory:

  • 1kΩ x 3
  • 12 kΩ x 2
  • 39 kΩ x 2

Filtr wycinający:

• 1 wzmacniacz operacyjny (uA741)

• Rezystory:

  • 1,6 kΩ x 2
  • 417 kΩ

• Kondensatory:

  • 100 nF x 2
  • 200 nF

Filtr dolnoprzepustowy:

• 1 wzmacniacz operacyjny (uA741)

• Rezystory:

  • 23,8 kΩ
  • 43 kΩ

• Kondensatory:

  • 22 nF
  • 47 nF

Krok 2: Zbuduj wzmacniacz oprzyrządowania

Sygnały biologiczne często wyprowadzają tylko napięcia między 0,2 a 2 mV [2]. Napięcia te są zbyt małe, aby można je było analizować na oscyloskopie, więc musieliśmy zbudować wzmacniacz.

Po zbudowaniu obwodu przetestuj, aby upewnić się, że działa poprawnie, mierząc napięcie w Vout (pokazane jako węzeł 2 na powyższym obrazku). Użyliśmy generatora funkcyjnego do wysłania fali sinusoidalnej o amplitudzie napięcia wejściowego 20 mV do naszego wzmacniacza pomiarowego. Wszystko, co jest zbyt daleko powyżej tej wartości, nie da oczekiwanych rezultatów, ponieważ wzmacniacze operacyjne uzyskiwały tylko pewną moc -15 i +15 V. Porównaj wyjście generatora funkcyjnego z wyjściem twojego wzmacniacza pomiarowego i szukaj wzmocnienia bliskiego 1000 V. (Vout/Vin powinno być bardzo bliskie 1000).

Wskazówka dotycząca rozwiązywania problemów: Upewnij się, że wszystkie rezystory są w zakresie kΩ.

[2]„Kondycjonowanie sygnału elektrokardiogramu (EKG) o wysokiej wydajności | Edukacja | Urządzenia analogowe.” [Online]. Dostępne: https://www.analog.com/en/education/education-library/articles/high-perf-electrocardiogram-signal-conditioning.html. [Dostęp: 10.12.2017].]

Krok 3: Zbuduj filtr wycinający

Nasz filtr wycinający został zaprojektowany do odfiltrowania częstotliwości 60 Hz. Chcemy odfiltrować 60 Hz z naszego sygnału, ponieważ jest to częstotliwość prądu przemiennego występującego w gniazdkach elektrycznych.

Podczas testowania filtra wycinającego zmierz stosunek wartości szczytowej do wartości szczytowej między wykresami wejściowymi i wyjściowymi. Przy 60 Hz stosunek powinien wynosić -20 dB lub lepszy. Dzieje się tak, ponieważ przy -20 dB napięcie wyjściowe wynosi zasadniczo 0 V, co oznacza, że pomyślnie odfiltrowałeś sygnał przy 60 Hz! Przetestuj również częstotliwości około 60 Hz, aby upewnić się, że żadne inne częstotliwości nie są przypadkowo odfiltrowywane.

Wskazówka dotycząca rozwiązywania problemów: Jeśli nie możesz uzyskać dokładnie -20dB przy 60 Hz, wybierz jeden rezystor i zmień go nieznacznie, aż uzyskasz pożądane wyniki. Musieliśmy bawić się wartością R2, dopóki nie osiągnęliśmy pożądanych wyników.

Krok 4: Zbuduj filtr dolnoprzepustowy

Nasz filtr dolnoprzepustowy został zaprojektowany z częstotliwością odcięcia 150 Hz. Wybraliśmy to odcięcie, ponieważ najszerszy zakres diagnostyczny dla EKG wynosi 0,05 Hz - 150 Hz, przy założeniu nieruchomego i cichego otoczenia [3]. Filtr dolnoprzepustowy jest w stanie pozbyć się szumów o wysokiej częstotliwości pochodzących z mięśni lub innych części ciała[4].

Aby przetestować ten obwód, aby upewnić się, że działa poprawnie, zmierz Vout (pokazany jako węzeł 1 na schemacie obwodu). Przy 150 Hz amplituda sygnału wyjściowego powinna być 0,7 razy większa od amplitudy sygnału wejściowego. Użyliśmy sygnału wejściowego 1V, aby móc łatwo zauważyć, że nasze wyjście powinno wynosić 0,7 przy 150 Hz.

Wskazówki dotyczące rozwiązywania problemów: tak długo, jak częstotliwość odcięcia mieści się w zakresie kilku Hz do 150 Hz, obwód powinien nadal działać. Nasz punkt odcięcia wyniósł 153 Hz. Zasięg sygnałów biologicznych będzie się nieznacznie zmieniał w organizmie, więc dopóki nie jesteś w odległości większej niż kilka Hz, twój obwód nadal powinien działać.

[3] „Filtry EKG | MEDTEQ.” [Online]. Dostępne: https://www.medteq.info/med/ECGFilters. [Dostęp: 10.12.2017].

[4] KL Venkatachalam, JE Herbrandson i S. J. Asirvatham, „Sygnały i przetwarzanie sygnałów dla elektrofizjologa: Część I: Akwizycja elektrogramu”, Circ. Arytmia Elektrofizjol., tom. 4, nie. 6, s. 965–973, grudzień 2011.

Krok 5: Utwórz program LabView

[5] „Projekt laboratorium projektowego BME 305” (jesień 2017).

Ten schemat blokowy laboratoryjny jest przeznaczony do analizy sygnału przechodzącego przez program, wykrywania szczytów EKG, zbierania różnicy czasu między szczytami i matematycznego obliczania BPM. Wyświetla również wykres przebiegu EKG.

Krok 6: Połącz wszystkie trzy etapy

Połącz wszystkie trzy obwody szeregowo, podłączając wyjście wzmacniacza oprzyrządowania do wejścia filtra wycinającego, a wyjście filtra wycinającego do wejścia filtra dolnoprzepustowego. Podłącz wyjście filtra dolnoprzepustowego do asystenta DAQ i podłącz asystenta DAQ do komputera. Podczas łączenia obwodów razem, upewnij się, że listwy zasilające dla każdej płytki stykowej są podłączone, a wszystkie listwy uziemiające są podłączone do tego samego zacisku uziemiającego.

We wzmacniaczu oprzyrządowania drugi wzmacniacz operacyjny musi być nieuziemiony, aby dwa przewody elektrody podłączone do badanego obiektu mogły być podłączone do innego wzmacniacza operacyjnego w pierwszym stopniu tego filtra.

Krok 7: Uzyskaj sygnały od człowieka testowanego

Na każdym nadgarstku należy umieścić jedną naklejkę elektrody, a drugą na kostkę do podłoża. Użyj zacisków krokodylkowych, aby podłączyć dwie elektrody nadgarstkowe do wejść wzmacniacza oprzyrządowania, a kostkę do masy. Gdy będziesz gotowy, kliknij „uruchom” w programie LabView i zobacz swoje tętno i EKG na ekranie!