EKG i pulsometr: 7 kroków (ze zdjęciami)

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

UWAGA: To nie jest wyrób medyczny. 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.

Jednym z najważniejszych narzędzi diagnostycznych wykorzystywanych do wykrywania tych stanów jest elektrokardiogram (EKG). Elektrokardiogram działa, śledząc impuls elektryczny przez serce i przesyłając go z powrotem do urządzenia [1]. Sygnał odbierany jest z elektrod umieszczonych na ciele. Umieszczenie elektrod ma kluczowe znaczenie dla wychwytywania sygnałów fizjologicznych, ponieważ działają one na zasadzie rejestrowania różnicy potencjałów w całym ciele. Standardowym umieszczeniem elektrod jest użycie trójkąta Einthovena. W tym miejscu jedna elektroda jest umieszczana na prawym ramieniu, lewym ramieniu i lewej nodze. Lewa noga działa jak uziemienie dla elektrod i odbiera zakłócenia częstotliwościowe w ciele. Prawe ramię ma elektrodę ujemną, a lewą elektrodę dodatnią, aby obliczyć różnicę potencjałów w klatce piersiowej, a tym samym odebrać energię elektryczną z serca [2]. Celem tego projektu było stworzenie urządzenia, które może z powodzeniem akwizycji sygnał EKG i wyraźnie odtwarza sygnał bez szumów i z dodatkiem pomiaru tętna.

Krok 1: Materiały i narzędzia

• Różne rezystory i kondensatory
• Deska do krojenia chleba
• Generator funkcyjny
• Oscyloskop
• zasilacz
• Wzmacniacze operacyjne
• Komputer z zainstalowanym LABView
• Kable BNC
• Asystent DAQ

Krok 2: Zbuduj wzmacniacz oprzyrządowania

Aby odpowiednio wzmocnić sygnał bioelektryczny, całkowite wzmocnienie dwustopniowego wzmacniacza pomiarowego powinno wynosić 1000. Każdy stopień jest mnożony w celu uzyskania całkowitego wzmocnienia, a równania używane do obliczania poszczególnych stopni są pokazane poniżej.

Stopień 1: Wzmocnienie: K1=1+2*R2/R1 Stopień 2: Wzmocnienie: K2= -R4/R3

Korzystając z powyższych równań, wartości rezystorów, które zastosowaliśmy, to R1 = 10 kΩ, R2 = 150 kΩ, R3 = 10 kΩ i R4 = 33 kΩ. Aby mieć pewność, że wartości te zapewnią pożądany poziom wyjściowy, można przeprowadzić symulację online lub przetestować na oscyloskopie po zbudowaniu fizycznego wzmacniacza.

Po podłączeniu wybranych rezystorów i wzmacniaczy operacyjnych w płytce stykowej, należy zasilić wzmacniacze operacyjne ±15 V z zasilacza prądu stałego. Następnie należy podłączyć generator funkcyjny do wejścia wzmacniacza pomiarowego, a oscyloskop do wyjścia.

Zdjęcie powyżej pokazuje, że gotowy wzmacniacz instrumentacyjny będzie wyglądał jak w płytce stykowej. Aby sprawdzić, czy działa prawidłowo, ustaw generator funkcji tak, aby wytwarzał falę sinusoidalną o częstotliwości 1 kHz z amplitudą międzyszczytową 20 mV. Wyjście ze wzmacniacza na oscyloskopie powinno mieć amplitudę międzyszczytową 20 V, ponieważ wzmocnienie wynosi 1000, jeśli działa prawidłowo.

Krok 3: Zbuduj filtr wycinający

Ze względu na szum linii energetycznej potrzebny był filtr, aby odfiltrować szum o częstotliwości 60 Hz, który jest szumem linii energetycznej w Stanach Zjednoczonych. Zastosowano filtr wycinający, ponieważ filtruje określoną częstotliwość. Do obliczenia wartości rezystorów wykorzystano następujące równania. Współczynnik jakościowy (Q) wynoszący 8 działał dobrze, a wartości kondensatorów 0,1 uF zostały wybrane ze względu na łatwość konstrukcji. Częstotliwość w równaniach (przedstawiona jako w) to częstotliwość wycięcia 60Hz pomnożona przez 2π.

R1=1/(2QwC)

R2=2Q/(mc)

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

Korzystając z powyższych równań, wartości rezystorów, które zastosowaliśmy to R1=1,5kΩ, R2=470kΩ i R3=1,5kΩ. Aby mieć pewność, że wartości te zapewnią pożądany poziom wyjściowy, można przeprowadzić symulację online lub przetestować na oscyloskopie po zbudowaniu fizycznego wzmacniacza.

Powyższy obrazek pokazuje, jak będzie wyglądał ukończony filtr wycinający na płytce prototypowej. Konfiguracja wzmacniaczy operacyjnych jest taka sama, jak wzmacniacza pomiarowego, a generator funkcji powinien być teraz ustawiony na wytwarzanie fali sinusoidalnej o częstotliwości 1 kHz z amplitudą międzyszczytową 1 V. Jeśli wykonujesz AC Sweep, powinieneś być w stanie sprawdzić, czy częstotliwości około 60 Hz są odfiltrowane.

Krok 4: Zbuduj filtr dolnoprzepustowy

W celu odfiltrowania szumu o wysokiej częstotliwości, który nie jest związany z EKG, stworzono filtr dolnoprzepustowy o częstotliwości odcięcia 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)

Korzystając z powyższych równań, wartości rezystorów, które zastosowaliśmy, to R1 = 12 kΩ, R2 = 135 kΩ, C1 = 0,01 µF i C2 = 0,068 µF. Skończyło się na tym, że wartości dla R3 i R4 wyniosły zero, ponieważ chcieliśmy, aby wzmocnienie K filtra było zerowe, dlatego w konfiguracji fizycznej użyliśmy przewodów zamiast rezystorów. Aby mieć pewność, że wartości te zapewnią pożądany poziom wyjściowy, można przeprowadzić symulację online lub przetestować na oscyloskopie po zbudowaniu fizycznego wzmacniacza.

Aby zbudować fizyczny filtr, podłącz wybrane rezystory i kondensatory do wzmacniacza operacyjnego, jak pokazano na schemacie. Zasil wzmacniacz operacyjny i podłącz generator funkcji i oscyloskop w taki sam sposób, jak opisano w poprzednich krokach. Ustaw generator funkcji tak, aby wytwarzał falę sinusoidalną o częstotliwości 150 Hz i amplitudzie międzyszczytowej około 1 V. Ponieważ 150 Hz powinno być częstotliwością odcięcia, jeśli filtr działa prawidłowo, wielkość powinna wynosić 3 dB przy tej częstotliwości. Dzięki temu dowiesz się, czy filtr jest prawidłowo skonfigurowany.

Krok 5: Połącz wszystkie komponenty razem

Po zbudowaniu każdego komponentu i przetestowaniu go osobno, wszystkie można połączyć szeregowo. Podłącz generator funkcji do wejścia wzmacniacza oprzyrządowania, a następnie podłącz jego wyjście do wejścia filtra wycinającego. Zrób to ponownie, podłączając wyjście filtra wycinającego do wejścia filtra dolnoprzepustowego. Wyjście filtra dolnoprzepustowego powinno być następnie połączone z oscyloskopem.

Krok 6: Konfiguracja LabVIEW

Krzywa EKG bicia serca została następnie uchwycona za pomocą asystenta DAQ i LabView. Asystent DAQ pozyskuje sygnały analogowe i definiuje parametry próbkowania. Połącz asystenta DAQ z generatorem funkcyjnym wysyłającym sygnał arb serca i do komputera z LabView. Skonfiguruj LabView zgodnie ze schematem pokazanym powyżej. Asystent DAQ wprowadzi falę sercową z generatora funkcji. Dodaj wykres fali do swojej konfiguracji LabView, aby wyświetlić wykres. Użyj operatorów numerycznych, aby ustawić próg dla maksymalnej wartości. Na przedstawionym schemacie zastosowano 80%. Analiza szczytów powinna być również wykorzystywana do znajdowania lokalizacji szczytów i powiązania ich ze zmianą w czasie. Pomnóż częstotliwość szczytową przez 60, aby obliczyć liczbę uderzeń na minutę, a ta liczba została wyświetlona obok wykresu.

Krok 7: Możesz teraz zarejestrować EKG

[1] „Elektrokardiogram – Centrum Informacji o Sercu Texas Heart Institute”. [Online]. Dostępne: https://www.texasheart.org/HIC/Topics/Diag/diekg.cfm. [Dostęp: 09.12.2017].

[2] „Przewody EKG, biegunowość i trójkąt Einthovena – fizjolog studencki”. [Online]. Dostępne: https://thephysiologist.org/study-materials/the-ecg-leads-polarity-and-einthovens-triangle/. [Dostęp: 10.12.2017].