Vytvorte si vlastný elektrokardiogram (EKG): 6 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

UPOZORNENIE:

Toto nie je zdravotnícka pomôcka. Toto je len na vzdelávacie účely s použitím simulovaných signálov. Ak používate tento obvod na skutočné meranie EKG, uistite sa, že obvod a prepojenie obvodu s prístrojom využívajú energiu batérie a iné správne izolačné techniky.

[Obrázok prevzatý z

Krok 1: Poznáte svoje veci

Elektrokardiogram (EKG) je dôležitým nástrojom, ktorý lekári používajú na sledovanie elektrickej aktivity srdca. Je to užitočné pri zachytení všetkého od abnormálnych srdcových rytmov po diagnostikovanie tepelného zlyhania. Podľa tohto pokynu budete môcť zostrojiť zariadenie, ktoré zobrazuje elektrokardiogram osoby s použitím iba základných zručností v oblasti chlieb a bežných laboratórnych zariadení elektroniky. Akonáhle budete mať dobrý výstup signálu, môžete rovnaký signál použiť na výpočet srdcovej frekvencie alebo inej zaujímavej metriky pomocou mikrokontroléra.

-

Ak neviete, čo je to EKG, je to jednoducho záznam činnosti srdca. Vzhľadom na elektrickú povahu srdcových kontrakcií je možné zaznamenať zmenu napätia umiestnením elektród na kožu a spracovaním signálu. Graf týchto napätí v priebehu času sa nazýva elektrokardiogram (skrátene EKG). EKG sa zvyčajne používajú na diagnostiku rôznych foriem srdcového zlyhania alebo na pasívne monitorovanie stresu pacienta. Zdravé EKG má špecifické vlastnosti, ktoré sú medzi ľuďmi univerzálne. (To zahŕňa vlnu P, vlnu Q, vlnu R, vlnu S, vlnu T a komplex QRS.) Poskytol som zjednodušený diagram EKG so zodpovedajúcou reakciou srdca.

-

Všimnite si toho, že každá elektrická udalosť vyskytujúca sa v srdcových nervoch zodpovedá fyzickému javu, ktorý nastáva následne vo svalovom tkanive, a zatiaľ čo sa jedna časť srdca sťahuje, ostatné časti sú relaxačné. Týmto spôsobom je načasovanie elektrických signálov v srdci veľmi dôležité, čo robí z EKG veľmi účinný nástroj na meranie zdravia srdca.

-

Na to, aby sme zaznamenali skutočné EKG, však vstupuje do hry mnoho logistických problémov, ako je veľkosť signálu, množstvo hluku vychádzajúceho zo zvyšku tela a množstvo hluku pochádzajúceho z prostredia. Aby sme to vykompenzovali, navrhujeme obvod, ktorý bude zložený z 3 častí: diferenciálny zosilňovač na zvýšenie veľkosti nášho signálu, dolnopriepustný filter na elimináciu vysokofrekvenčného šumu signálu a zárezový filter na odstránenie 60 Hz šumu je vždy prítomný v budovách napájaných striedavým prúdom. Nižšie vám podrobne popíšem sledovanie týchto krokov.

[Obrázok prevzatý z

Krok 2: Zhromaždite svoje zásoby

Na tento projekt budete potrebovať:

- 1 veľké pole na krájanie (2 a viac bude však krajšie)

- 5 univerzálnych operačných zosilňovačov

(Použil som UA741 s +-15 V, uistite sa, že tie, ktoré vyberiete, zvládnu 15 voltov, inak budete musieť upraviť hodnoty pasívnych komponentov a budete sa musieť uspokojiť s menším zosilnením.)

Rezistory

o 2x 165 ohmov

o 3x 1 k ohm

o 2x 15k ohm

2x 33 kOhm

o 1x 42k ohm

o 2x 60k ohm

Kondenzátory

o 2x 22nF

o 2x 1μF

o 1x 2Μf

- Veľa káblov alebo prepojovacích káblov

- Zdroj jednosmerného napätia schopný poskytovať +-15 V

- Generátor funkcií a osciloskop (hlavne na riešenie problémov)

- Najmenej tri lepkavé elektródy, ak plánujete zaznamenávať skutočné EKG

- Dosť káblov na pripojenie všetkých týchto nezmyslov

- Dobré porozumenie obvodom, operačným zosilňovačom a skúsenosti s chlebom.

Ak máte práve narodeninovú oslavu a hľadáte, aby ste s ňou urobili niečo originálne, urobte pred jej vyskúšaním aspoň niekoľko jednoduchších zostáv.

-

Krok 3: Zostavte diferenciálny zosilňovač

Diferenciálny zosilňovač zosilní náš zaznamenaný signál na použiteľnú úroveň, ktorá sa má zobraziť na ďalekohľade alebo na obrazovke. Tento návrh obvodu odoberie rozdiel v napätí z dvoch vstupných elektród a zosilní ho. To sa robí kvôli zníženiu hluku, pretože bude eliminovaný bežný šum medzi elektródami. Signál EKG sa bude líšiť v amplitúde v závislosti od umiestnenia záznamových elektród a jednotlivca, ale pri zázname zo zápästí je obvykle rádovo niekoľko milivoltov. (Aj keď to nie je potrebné pre toto nastavenie, amplitúdu signálu je možné zvýšiť umiestnením elektród na hrudník, ale kompromisom je hluk z pohybu pľúc.)

-

Priložil som schému nastavenia. Obvod na obrázku by mal zosilniť váš signál ~ 1 000 -krát. Možno to budete musieť upraviť v závislosti od typu operačného zosilňovača, ktorý ste sa rozhodli použiť. Rýchly spôsob, ako to upraviť, je zmena hodnoty R1. Znížením hodnoty R1 na polovicu zdvojnásobíte výstupný zisk a naopak.

-

Predpokladám, že väčšina z vás môže tento obvod preložiť na nepájivú dosku, napriek tomu som vložil diagram usporiadania nepájivého poľa, aby sa proces zefektívnil a dúfajme, že skráti váš čas na riešenie problémov. Pre vaše pohodlie som tiež zahrnul obrázok pinoutu UA741 (alebo LM741). (Na vaše účely nebudete potrebovať piny 1, 5 alebo 8) Kolíky V + a V na operačnom zosilňovači budú pripojené k vášmu napájaniu +15 V a -15 V. -15 V nie je to isté ako uzemnenie! Kondenzátory na mojom doske môžete ignorovať. Sú to obtokové kondenzátory určené na odstránenie šumu striedavého prúdu, ale spätne to nestálo za námahu.

-

Odporúčam testovať každú fázu po jej dokončení, aby ste mohli riešiť problémy. Ako ukazuje obvod, jeden zo vstupov môžete pripojiť k zemi a druhý k malému zdroju jednosmerného prúdu na kontrolu zosilnenia. (uistite sa, že zadávate <15 mV, inak nasýtite operačné zosilňovače). Ak potrebujete znížiť svoj zisk z testovania, nepotite sa, čokoľvek vyššie ako 500-násobný zisk bude na naše účely bohato stačiť. Navyše, ak ste svoj obvod postavili tak, aby mal zisk 1000 a ukazuje iba zisk 800, nie je to koniec sveta, presné číslo nie je kritické.

-

Krok 4: Vytvorte filter Notch

Teraz, keď môžeme zosilniť náš signál, pozrime sa na jeho vyčistenie. Ak by ste teraz zapojili elektródy do nášho obvodu, pravdepodobne by to malo tonu 60 Hz hluku. Dôvodom je skutočnosť, že väčšina budov je zapojených striedavým prúdom 60 Hz, ktorý spôsobuje nevyhnutne veľký šumový signál. Aby sme to napravili, postavíme 60 Hz zárezový filter. Zárezový filter je navrhnutý tak, aby zoslabil veľmi špecifické frekvencie a ostatné frekvencie zostali nedotknuté; Ideálne na odstránenie šumu 60 Hz.

-

Rovnako ako predtým som zahrnul obrázok schémy zapojenia, nastavenia dosky a vlastného obvodu. Všimnite si toho, že zatiaľ čo filter zárezu je relatívne ľahké stavanie, trvalo mi najdlhšie, kým som sa dostal do práce. Môj vstup bol dobre zoslabený, ale pri 63 Hz namiesto 60 Hz, čo ho nezníži. Ak narazíte na rovnaký problém, odporúčam vám zmeniť hodnotu R14. (Zvýšenie odporu R14 zníži vašu frekvenciu útlmu a naopak). Ak máte variabilný odporový box, použite ho na nahradenie R14 a potom sa pohrajte s hodnotami odporu, aby ste zistili, čo funguje najlepšie, pretože bude citlivý na zmeny v poradí jedného ohmu. Skončil som so 175 ohmom R14, ale teoreticky najlepšie funguje, ak sa zhoduje s R12.

-

Opäť môžete túto fázu otestovať pomocou generátora funkcií na vstup 60 Hz sínusovej vlny a zaznamenanie svojho výstupu na osciloskope. Váš výstup by mal byť asi -20 dB alebo 10% amplitúdy vstupu. Ako som už povedal, optimalizáciu môžete skontrolovať v blízkosti frekvencií.

-

Krok 5: Vytvorte dolnopriepustný filter

Ako už bolo spomenuté, ďalším dôležitým faktorom je zníženie hluku z vášho tela a čohokoľvek iného, čo obmedzuje miestnosť, v ktorej sa nachádzate. Nízkopriepustný filter to dokáže dobre, pretože pokiaľ ide o signály, váš srdcový tep je dosť pomalý. Našim cieľom s dolnopriepustným filtrom je eliminovať všetky signály, ktoré obsahujú frekvencie vyššie ako vaše EKG. Aby sme to urobili, musíme určiť „medznú frekvenciu“. V našom prípade všetko, čo je nad touto frekvenciou, chceme odstrániť a všetko pod touto frekvenciou chceme udržať. Kým srdcový tep prebieha rádovo 1 až 3 Hertzy, jednotlivé priebehy, ktoré tvoria naše EKG, sa skladajú z oveľa vyšších frekvencií; blízko 1 až 50 Hertzov. Z tohto dôvodu som zvolil medznú frekvenciu 80 Hz. Je dostatočne vysoký na to, aby udržal v signáli všetky užitočné súčasti, ale stále eliminuje hluk z rádia HAM, ktoré máte vo vedľajšej miestnosti.

-

Nemám žiadne múdre rady o dolnopriepustnom filtri, v porovnaní s ostatnými fázami je to veľmi jednoduché. Podobne ako v prípade zosilňovača, nemusíte sa obávať presného prerušenia pri 80 Hz; toto nie je rozhodujúce a reálne sa to nestane. Napriek tomu by ste mali skontrolovať jeho výstup pomocou generátora funkcií. Všeobecne platí, že sínusová vlna by mala prechádzať filtrom nedotknutá pri 10 Hz a mala by byť skrátená na polovicu o 130 Hz.

-

Krok 6: Zapojte to

Ak ste sa dostali až sem, gratulujeme! Máte všetky súčasti EKG. Všetko, čo musíte urobiť, je spojiť ich dohromady, prilepiť elektródy a zapojiť výstup do osciloskopu, aby ste videli svoje EKG!

-

V prípade, že si nie ste istí, ako nasadiť elektródy, odporúčam vám prilepiť vstupné elektródy na zápästia (na každé zápästie jednu) a k nohe pripojiť uzemňovaciu elektródu (obrázok môže pomôcť.) Ako pripomienka by každá vstupná elektróda mala ísť kladný vstup na operačné zosilňovače v zosilňovači. (Je uzemnený iba v schéme zapojenia na účely simulácie)

-

Akonáhle ste pripojení, pripojte výstup dolnopriepustného filtra k osciloskopu a buďte na seba hrdí! Nechajte všetky svoje deti prísť si nasadiť elektródy a pozrieť sa na tlkot ich srdca. Sakra, prineste svojich susedov, aby to vyskúšali. Ak máte pocit extra motivácie, pripojte výstup k mikrokontroléru a vypočítajte srdcový tep z tohto singla. (Pravdepodobne budete chcieť znížiť zosilnenie, skôr než to urobíte, môže dôjsť k vyprážaniu dosky, ktorú používate). Bez ohľadu na to gratulujeme k zostave a prajeme veľa šťastia!

[Obrázok prevzatý z