Okruh elektrokardiogramu: 4 kroky

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2025-01-23 15:05

Ahoj! Píšu to dvaja študenti, ktorí v súčasnej dobe študujú biomedicínske inžinierstvo a chodia na triedu obvodov. Vytvorili sme EKG a sme veľmi radi, že sa s vami oň môžeme podeliť.

Zásoby

Medzi základné zásoby, ktoré budú potrebné pre tento projekt, patria:

- breadboard

- odpory

- kondenzátory

- operačné zosilňovače (LM741)

- elektródy

Budete tiež potrebovať uvedené elektronické vybavenie:

- Napájanie jednosmerným prúdom

- Generátor funkcií

- Osciloskop

Krok 1: Diferenciálny zosilňovač

Prečo je to potrebné?

Diferenciálny zosilňovač sa používa na zosilnenie signálu a zníženie šumu, ktorý môže vznikať medzi elektródami. Hluk sa zníži odčítaním rozdielu napätia z dvoch elektród. Aby sme určili potrebné hodnoty odporu, rozhodli sme sa, že chceme, aby zosilňovač vytvoril zosilnenie 1000.

Ako je postavený?

Na dosiahnutie tohto cieľa bola použitá rovnica zisku pre diferenciálny zosilňovač, matematiku nájdete na priloženom obrázku. Pri výpočte sa zistilo, že hodnoty odporu by mali byť 100Ω a 50kΩ. Pretože sme však nemali odpor 50 kΩ, použili sme 47 kΩ. Nastavenie diferenciálneho zosilňovača pre LTSpice aj pre breadboard je možné vidieť na priloženej fotografii. Diferenciálny zosilňovač vyžaduje na pripojenie nepájivú dosku, 1 x 100 ohmový odpor, 6 x 47 kΩ odpor, 3 operačné zosilňovače LM741 a veľa prepojovacích káblov.

Ako to otestovať?

Pri testovaní v LTSpice a na fyzickom zariadení sa chcete uistiť, že produkuje zisk 1 000. To sa robí pomocou rovnice zosilnenia gain = Vout/ Vin. Vout je výstup od píku k špičke a Vin je od píku k vrcholu. Napríklad na testovanie funkčného generátora by som do obvodu vložil 10 mV špička-špička, takže by som mal dostať výstup 10V.

Krok 2: Zárezový filter

Prečo je to potrebné?

Na elimináciu hluku je vytvorený zárezový filter. Pretože väčšina budov má striedavý prúd 60 Hz, ktorý by v obvode spôsoboval šum, rozhodli sme sa vytvoriť zárezový filter, ktorý bude tlmiť signál pri 60 Hz.

Ako ho postaviť?

Dizajn filtra zárezu vychádza z vyššie uvedeného obrázku. Rovnice na výpočet hodnôt pre rezistory a kondenzátory sú tiež uvedené vyššie. Rozhodli sme sa použiť frekvenciu 60 Hz a 0,1 uF kondenzátorov, pretože ide o hodnotu kondenzátora, ktorú sme mali. Pri výpočte rovníc sme zistili, že R1 a R2 sa rovnajú 37 549 kΩ a hodnota pre R3 je 9021,19 Ω. Aby sme na našej doske s plošnými spojmi mohli vytvárať tieto hodnoty, použili sme 39 kΩ pre R1 a R2 a 9,1 kΩ pre R3. Zárezový filter celkovo vyžaduje 1 x 9,1 kΩ odpor, 2 x 39 kΩ odpor, 3 x 0,1 uF kondenzátor, 1 operačný zosilňovač LM741 a množstvo prepojovacích káblov. Schéma nastavenia zárezového filtra pre LTSpice aj pre breadboard je na obrázku vyššie.

Ako to otestovať?

Funkčnosť zárezového filtra je možné testovať vykonaním cyklu striedavého prúdu. Všetky frekvencie by mali prechádzať filtrom okrem 60 Hz. Toto je možné testovať na LTSpice aj na fyzickom obvode

Krok 3: Nízkopriepustný filter

Prečo je to potrebné?

Na zníženie hluku z vášho tela a miestnosti, ktorá nás obklopuje, je potrebný dolnopriepustný filter. Pri rozhodovaní o medznej frekvencii dolnopriepustného filtra bolo dôležité vziať do úvahy, že srdcový tep sa vyskytuje od 1 Hz do 3 Hz a krivky, ktoré tvoria EKG, sú blízko 1 až 50 Hz.

Ako ho postaviť?

Rozhodli sme sa nastaviť medznú frekvenciu 60 Hz, aby sme stále mohli získať všetky užitočné signály, ale tiež prerušiť nepotrebný signál. Pri určovaní medznej frekvencie by bolo 70 Hz, rozhodli sme sa vybrať hodnotu kondenzátora 0,15 uF, pretože je to taká, akú sme mali v našej súprave. Výpočet hodnoty kondenzátora je možné vidieť na obrázku. Výsledkom výpočtu bola hodnota odporu 17,638 kΩ. Rozhodli sme sa použiť odpor 18 kΩ. Dolnopriepustný filter vyžaduje odpor 2 x 18 kΩ, kondenzátor 2x0,15 uF, 1 operačný zosilňovač LM741 a veľa prepojovacích káblov. Schéma dolnopriepustného filtra pre LTSpice aj fyzický obvod nájdete na obrázku.

Ako to otestovať?

Nízkopriepustný filter je možné testovať pomocou AC cyklu na LTSpice aj fyzickom obvode. Pri spustení cyklu striedavého prúdu by ste mali vidieť, že nižšie uvedené frekvencie pre prerušenie sú nezmenené, ale frekvencie nad hranicou sa začnú filtrovať.

Krok 4: Dokončite projekt

Keď je obvod kompletný, mal by vyzerať ako obrázok vyššie! Teraz ste pripravení pripevniť elektródy k svojmu telu a vidieť svoje EKG! Spolu s osciloskopom sa dá na Arduine zobraziť aj EKG.