Obwód elektrokardiogramu (EKG): 7 kroków

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

Uwaga: 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.

Jesteśmy dwoma studentami Inżynierii Biomedycznej i po pierwszych zajęciach z obwodów byliśmy bardzo podekscytowani i postanowiliśmy wykorzystać podstawy, których się nauczyliśmy, aby zrobić coś pożytecznego: wyświetlić EKG i odczytać tętno. To byłby najbardziej złożony tor, jaki zbudowaliśmy!

Trochę tła na EKG:

Wiele urządzeń elektrycznych służy do pomiaru i rejestracji aktywności biologicznej w ludzkim ciele. Jednym z takich urządzeń jest elektrokardiogram, który mierzy sygnały elektryczne wytwarzane przez serce. Sygnały te dostarczają obiektywnych informacji o budowie i funkcji serca. EKG został po raz pierwszy opracowany w 1887 roku i dał lekarzom nowy sposób diagnozowania powikłań sercowych. EKG może wykryć rytm serca, częstość akcji serca, zawały serca, niedostateczny dopływ krwi i tlenu do serca oraz nieprawidłowości strukturalne. Korzystając z prostego projektu obwodu, można wykonać EKG, które może monitorować wszystkie te rzeczy.

Krok 1: Materiały

Budowanie obwodu

Podstawowe materiały potrzebne do budowy obwodu pokazane są na zdjęciach. Zawierają:

• Deska do krojenia chleba

• Wzmacniacze operacyjne

  • Wszystkie wzmacniacze operacyjne zastosowane w tym obwodzie to LM741.
  • Więcej informacji można znaleźć w arkuszu danych:
• Rezystory
• Kondensatory
• Przewody

• Elektrody samoprzylepne

  Są one potrzebne tylko wtedy, gdy zdecydujesz się wypróbować obwód na prawdziwej osobie

Użyte oprogramowanie obejmuje:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab lub PSpice do symulacji w celu sprawdzenia wartości

• Przewyższać

  Jest to wysoce zalecane w przypadku konieczności zmiany jakichkolwiek cech obwodu. Być może będziesz musiał również bawić się liczbami, dopóki nie znajdziesz łatwo dostępnych wartości rezystorów i kondensatorów. W tym przypadku odradza się kalkulacje długopisem i papierem! Załączamy nasze obliczenia w arkuszu kalkulacyjnym, aby dać pomysł

Testowanie obwodu

Potrzebny będzie również większy sprzęt elektroniczny:

• Zasilacz
• Płytka DAQ do połączenia obwodu z LabVIEW
• Generator funkcji do obwodu testowego
• Oscyloskop do testowania obwodu

Krok 2: Wzmacniacz oprzyrządowania

Dlaczego tego potrzebujemy:

Zbudujemy wzmacniacz instrumentacyjny w celu wzmocnienia małej amplitudy mierzonej od ciała. Zastosowanie dwóch wzmacniaczy w naszym pierwszym etapie pozwoli nam zlikwidować szumy wytwarzane przez ciało (które będą takie same na obu elektrodach). Użyjemy dwóch etapów o równym wzmocnieniu - chroni to użytkownika, jeśli system jest podłączony do osoby, zapobiegając występowaniu całego wzmocnienia w jednym miejscu. Ponieważ normalna amplituda sygnału EKG wynosi od 0,1 do 5 mV, chcemy, aby wzmocnienie wzmacniacza pomiarowego wyniosło około 100. Dopuszczalna tolerancja wzmocnienia wynosi 10%.

Jak to zbudować:

Korzystając z tych specyfikacji i równań widocznych w tabeli (załączone zdjęcia), ustaliliśmy, że wartości naszych rezystorów wynoszą R1 = 1,8 kiloomów, R2 = 8,2 kiloomów, R3 = 1,5 kiloomów i R4 = 15 kiloomów. K1 to wzmocnienie pierwszego stopnia (OA1 i OA2), a K2 to wzmocnienie drugiego stopnia (OA3). W zasilaczach wzmacniaczy operacyjnych zastosowano kondensatory bocznikujące o jednakowej pojemności w celu usunięcia zakłóceń.

Jak to przetestować:

Każdy sygnał, który jest podawany do wzmacniacza oprzyrządowania powinien być wzmocniony o 100. Używając dB=20log(Vout/Vin) oznacza to stosunek 40 dB. Możesz to zasymulować w PSpice lub CircuitLab, przetestować urządzenie fizyczne lub oba!

Załączony obraz oscyloskopu pokazuje wzmocnienie 1000. Dla prawdziwego EKG jest to zbyt wysokie!

Krok 3: Filtr wycinający

Dlaczego tego potrzebujemy:

Użyjemy filtra wycinającego, aby usunąć szum 60 Hz obecny we wszystkich zasilaczach w Stanach Zjednoczonych.

Jak to zbudować:

Ustawimy współczynnik jakości Q na 8, co zapewni akceptowalny wynik filtrowania przy zachowaniu wartości komponentów w możliwym zakresie. Ustawiamy również wartość kondensatora na 0,1 μF, aby obliczenia miały wpływ tylko na rezystory. Obliczone i zastosowane wartości rezystorów można zobaczyć w tabeli (na zdjęciach) lub poniżej

• Q = w/B

  ustaw Q na 8 (lub wybierz własne w oparciu o własne potrzeby)

• w = 2*pi*f

  użyj f = 60 Hz

• C

  ustawić na 0,1 uF (lub wybrać własną wartość z dostępnych kondensatorów)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Oblicz. Nasza wartość to 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Oblicz. Nasza wartość to 424,4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Oblicz. Nasza wartość to 1,65 kohm

Jak to przetestować:

Filtr wycinający powinien przepuszczać wszystkie częstotliwości bez zmian, z wyjątkiem tych około 60 Hz. Można to sprawdzić za pomocą przemiatania AC. Filtr o wzmocnieniu -20 dB przy 60 Hz jest uważany za dobry. Możesz to zasymulować w PSpice lub CircuitLab, przetestować urządzenie fizyczne lub oba!

Ten rodzaj filtra wycinającego może generować dobre wycięcie w symulowanym przemiataniu prądem przemiennym, ale fizyczny test wykazał, że nasze oryginalne wartości generowały wycięcie przy niższej częstotliwości niż zamierzona. Aby to naprawić, podnieśliśmy R2 o około 25 kiloomów.

Obraz oscyloskopowy pokazuje, że filtr znacznie zmniejsza wielkość sygnału wejściowego przy 60 Hz. Wykres przedstawia przemiatanie AC dla wysokiej jakości filtra wycinającego.

Krok 4: Filtr dolnoprzepustowy

Dlaczego tego potrzebujemy:

Ostatnim etapem urządzenia jest aktywny filtr dolnoprzepustowy. Sygnał EKG składa się z wielu różnych przebiegów, z których każdy ma swoją własną częstotliwość. Chcemy to wszystko uchwycić bez szumów o wysokiej częstotliwości. Wybrano standardową częstotliwość odcięcia dla monitorów EKG 150 Hz. (Czasami wybierane są wyższe wartości graniczne do monitorowania określonych problemów z sercem, ale w naszym projekcie użyjemy normalnego wartości granicznej.)

Jeśli chcesz stworzyć prostszy obwód, możesz również użyć pasywnego filtra dolnoprzepustowego. To nie będzie zawierać wzmacniacza operacyjnego i będzie składać się tylko z rezystora połączonego szeregowo z kondensatorem. Napięcie wyjściowe będzie mierzone na kondensatorze.

Jak to zbudować:

Zaprojektujemy go jako filtr Butterwortha drugiego rzędu, który ma współczynniki aib równe odpowiednio 1,414214 i 1. Ustawienie wzmocnienia na 1 powoduje, że wzmacniacz operacyjny staje się wtórnikiem napięcia. Wybrane równania i wartości są pokazane w tabeli (na rysunkach) i poniżej.

• w=2*pi*f

  ustaw f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Oblicz. Nasza wartość to 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Oblicz. Nasza wartość to 0,033 uF

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

  Oblicz. Nasza wartość to 18,836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Oblicz. Nasza wartość to 26,634 kohm

Jak to przetestować:

Filtr powinien przepuszczać częstotliwości poniżej granicy bez zmian. Można to przetestować za pomocą przemiatania AC. Możesz to zasymulować w PSpice lub CircuitLab, przetestować urządzenie fizyczne lub oba!

Obraz oscyloskopowy pokazuje odpowiedź filtra przy 100 Hz, 150 Hz i 155 Hz. Nasz obwód fizyczny miał odcięcie bliższe 155 Hz, co pokazuje stosunek -3 dB.

Krok 5: Filtr górnoprzepustowy

Dlaczego tego potrzebujemy:

Filtr górnoprzepustowy jest używany, aby częstotliwości poniżej określonej wartości odcięcia nie były rejestrowane, umożliwiając przepuszczenie czystego sygnału. Częstotliwość odcięcia jest wybrana na 0,5 Hz (wartość standardowa dla monitorów EKG).

Jak to zbudować:

Wartości rezystora i kondensatora potrzebne do osiągnięcia tego są pokazane poniżej. Nasza rzeczywista użyta rezystancja wynosiła 318,2 kohm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • ustaw f = 0,5 Hz i C = 1 uF
  • Oblicz R. Nasza wartość to 318,310 kohm

Jak to przetestować:

Filtr powinien przepuszczać częstotliwości powyżej wartości odcięcia bez zmian. Można to przetestować za pomocą przemiatania AC. Możesz to zasymulować w PSpice lub CircuitLab, przetestować urządzenie fizyczne lub oba!

Krok 6: Konfiguracja LabVIEW

Schemat blokowy przedstawia koncepcję projektu części projektu LabVIEW, która rejestruje sygnał z wysoką częstotliwością próbkowania i wyświetla tętno (BPM) i EKG. Nasz obwód LabView zawiera następujące komponenty: asystent DAQ, tablica indeksów, operatory arytmetyczne, wykrywanie szczytów, wskaźniki numeryczne, wykres kształtu fali, zmiana w czasie, identyfikator max/min i stałe liczbowe. Asystent DAQ jest ustawiony na ciągłe pobieranie próbek z częstotliwością 1 kHz, z liczbą próbek zmienioną między 3000 a 5000 próbek w celu wykrywania szczytów i przejrzystości sygnału.

Najedź myszą na różne komponenty na schemacie obwodu, aby przeczytać, gdzie w LabVIEW je znaleźć!

Krok 7: Zbieranie danych

Teraz, gdy obwód został zmontowany, można zbierać dane, aby sprawdzić, czy działa! Przesyłaj symulowane EKG przez obwód z częstotliwością 1 Hz. Wynikiem powinien być czysty sygnał EKG, w którym wyraźnie widać zespół QRS, załamek P i załamek T. Tętno powinno również wyświetlać 60 uderzeń na minutę (bpm). Aby dalej przetestować obwód i konfigurację LabVIEW, zmień częstotliwość na 1,5 Hz i 0,5 Hz. Tętno powinno zmienić się odpowiednio na 90 bpm i 30 bpm.

Aby wolniejsze tętno było dokładnie wyświetlane, może być konieczne dostosowanie ustawień DAQ, aby wyświetlać więcej fal na wykresie. Można to zrobić, zwiększając liczbę próbek.

Jeśli zdecydujesz się przetestować urządzenie na człowieku, upewnij się, że zasilacz, którego używasz do wzmacniaczy operacyjnych, ogranicza prąd do 0,015 mA! Istnieje kilka dopuszczalnych konfiguracji odprowadzeń, ale zdecydowaliśmy się umieścić elektrodę dodatnią na lewej kostce, elektrodę ujemną na prawym nadgarstku, a elektrodę uziemiającą na prawej kostce, jak widać na załączonym zdjęciu.

Korzystając z podstawowych koncepcji obwodów i naszej wiedzy o ludzkim sercu, pokazaliśmy, jak stworzyć zabawne i użyteczne urządzenie. Mamy nadzieję, że podobał Ci się nasz samouczek!