Okruh elektrokardiogramu (EKG): 7 krokov

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

Poznámka: Toto nie je zdravotnícke zariadenie. Toto je len na vzdelávacie účely pomocou simulovaných signálov. Ak používate tento obvod na skutočné merania EKG, uistite sa, že obvod a pripojenia obvodu k prístroju používajú správnu izolačnú techniku.

Sme dvaja študenti v odbore biomedicínskeho inžinierstva a po absolvovaní prvej hodiny obvodov sme boli nadšení a rozhodli sme sa použiť základy, ktoré sme sa naučili robiť niečo užitočné: zobrazenie EKG a čítanie srdcovej frekvencie. Toto by bol najkomplexnejší okruh, aký sme kedy postavili!

Niektoré pozadia na EKG:

Na meranie a zaznamenávanie biologickej aktivity v ľudskom tele sa používa mnoho elektrických zariadení. Jedným z takýchto zariadení je elektrokardiogram, ktorý meria elektrické signály produkované srdcom. Tieto signály poskytujú objektívne informácie o štruktúre a funkcii srdca. EKG bolo prvýkrát vyvinuté v roku 1887 a poskytlo lekárom nový spôsob diagnostiky srdcových komplikácií. EKG môžu detegovať srdcový rytmus, srdcovú frekvenciu, srdcové infarkty, nedostatočné zásobovanie srdca krvou a kyslíkom a štrukturálne abnormality. Pomocou jednoduchého návrhu obvodu je možné vytvoriť EKG, ktoré dokáže monitorovať všetky tieto veci.

Krok 1: Materiály

Budovanie okruhu

Základné materiály potrebné na stavbu obvodu sú znázornené na obrázkoch. Patria sem:

• Breadboard

• Operačné zosilňovače

  • Všetky operačné zosilňovače použité v tomto obvode sú LM741.
  • Ďalšie informácie nájdete v technickom liste:
• Rezistory
• Kondenzátory
• Drôty

• Nalepovacie elektródy

  Tieto sú potrebné iba vtedy, ak sa rozhodnete vyskúšať okruh na skutočnej osobe

Použitý softvér obsahuje:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab alebo PSpice na simulácie na kontrolu hodnôt

• Excel

  Toto sa dôrazne odporúča v prípade, že potrebujete zmeniť akékoľvek vlastnosti vášho obvodu. Tiež sa možno budete musieť pohrať s číslami, kým nenájdete hodnoty odporu a kondenzátora, ktoré sú ihneď k dispozícii. V tomto prípade výpočty perom a papierom odradili! Pre predstavu sme priložili naše tabuľkové výpočty

Testovanie obvodu

Budete tiež potrebovať väčšie elektronické vybavenie:

• Napájanie jednosmerným prúdom
• Doska DAQ na prepojenie obvodu s LabVIEW
• Funkčný generátor na testovanie obvodu
• Osciloskop na testovanie obvodu

Krok 2: Zosilňovač prístrojov

Prečo to potrebujeme:

Postavíme prístrojový zosilňovač, aby sa zosilnila malá amplitúda meraná z tela. Použitie dvoch zosilňovačov v prvom stupni nám umožní zrušiť hluk vytvorený telom (ktorý bude na oboch elektródach rovnaký). Použijeme dve fázy približne rovnakého zisku - to chráni používateľa, ak je systém prepojený s osobou tým, že zabráni tomu, aby sa všetok zisk odohrával na jednom mieste. Pretože normálna amplitúda signálu EKG je medzi 0,1 a 5 mV, chceme, aby zosilnenie prístrojového zosilňovača bolo asi 100. Prijateľná tolerancia zisku je 10%.

Ako ho postaviť:

Pomocou týchto špecifikácií a rovníc uvedených v tabuľke (priložené obrázky) sme zistili, že naše hodnoty odporu sú R1 = 1,8 kiloOhms, R2 = 8,2 kiloOhms, R3 = 1,5 kiloOhms a R4 = 15 kiloOhms. K1 je zisk prvého stupňa (OA1 a OA2) a K2 je zisk druhého stupňa (OA3). Na odstránenie šumu sa na napájacích zdrojoch operačných zosilňovačov používajú kapacitné bypassové kondenzátory.

Ako to otestovať:

Každý signál, ktorý je privedený do zosilňovača prístrojov, by mal byť zosilnený o 100. Pri použití dB = 20log (Vout/Vin) to znamená pomer 40 dB. Môžete to simulovať v PSpice alebo CircuitLab, alebo otestovať fyzické zariadenie alebo oboje!

Priložený obrázok osciloskopu ukazuje zisk 1000. Na skutočné EKG je to príliš vysoké!

Krok 3: Zárezový filter

Prečo to potrebujeme:

Na odstránenie 60 Hz hluku prítomného vo všetkých zdrojoch napájania v USA použijeme zárezový filter.

Ako ho postaviť:

Nastavíme faktor kvality Q na 8, čo poskytne prijateľný filtračný výkon pri zachovaní hodnôt komponentov v realizovateľnom rozsahu. Tiež sme nastavili hodnotu kondenzátora na 0,1 μF, aby výpočty ovplyvnili iba odpory. Vypočítané a použité hodnoty odporu je možné vidieť v tabuľke (na obrázkoch) alebo nižšie

• Q = w/B

  nastavte Q na 8 (alebo si vyberte svoj vlastný podľa vlastnej potreby)

• w = 2*pi*f

  použite f = 60 Hz

• C.

  nastavte na 0,1 uF (alebo si zvoľte vlastnú hodnotu z dostupných kondenzátorov)

• R1 = 1/(2*Q*s*C)

  Vypočítajte. Naša hodnota je 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(š*C)

  Vypočítajte. Naša hodnota je 424,4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Vypočítajte. Naša hodnota je 1,65 kohm

Ako to otestovať:

Zárezový filter by mal prejsť všetkými frekvenciami bez zmeny, okrem tých okolo 60 Hz. To je možné skontrolovať zametaním striedavého prúdu. Za dobrý je považovaný filter so ziskom -20 dB pri 60 Hz. Môžete to simulovať v PSpice alebo CircuitLab, alebo otestovať fyzické zariadenie alebo oboje!

Tento druh zárezového filtra môže vytvárať dobrý zárez pri simulovanom striedaní striedavých prúdov, ale fyzický test ukázal, že naše pôvodné hodnoty generovali zárez pri nižšej frekvencii, ako sa predpokladalo. Aby sme to napravili, narazili sme na R2 asi o 25 kohmov.

Obraz z osciloskopu ukazuje, že filter výrazne znižuje veľkosť vstupného signálu pri 60 Hz. Graf ukazuje striedavý ťah vysokokvalitného zárezového filtra.

Krok 4: Nízkopriepustný filter

Prečo to potrebujeme:

Poslednou fázou zariadenia je aktívny dolnopriepustný filter. Signál EKG je tvorený mnohými rôznymi tvarmi vĺn, z ktorých každý má svoju vlastnú frekvenciu. Toto všetko chceme zachytiť bez akéhokoľvek vysokofrekvenčného šumu. Je zvolená štandardná medzná frekvencia pre monitory EKG 150 Hz. (Vyššie limity sú niekedy zvolené na monitorovanie konkrétnych srdcových problémov, ale pre náš projekt použijeme normálne prerušenie.)

Ak by ste chceli vytvoriť jednoduchší obvod, môžete použiť aj pasívny dolnopriepustný filter. To nebude zahŕňať operačný zosilňovač a bude pozostávať iba z odporu v sérii s kondenzátorom. Výstupné napätie sa bude merať na kondenzátore.

Ako ho postaviť:

Navrhneme ho ako Butterworthov filter druhého rádu, ktorý má koeficienty a a b rovné 1,414214, respektíve 1. Nastavením zosilnenia na 1 sa operačný zosilňovač zmení na sledovač napätia. Zvolené rovnice a hodnoty sú uvedené v tabuľke (na obrázkoch) a nižšie.

• w = 2*pi*f

  nastaviť f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Vypočítajte. Naša hodnota je 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Vypočítajte. Naša hodnota je 0,033 uF

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

  Vypočítajte. Naša hodnota je 18,836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Vypočítajte. Naša hodnota je 26 634 kohmov

Ako to otestovať:

Filter by mal prenášať frekvencie pod medzou nezmenené. Toto je možné otestovať pomocou AC cyklu. Môžete to simulovať v PSpice alebo CircuitLab, alebo otestovať fyzické zariadenie alebo oboje!

Obraz z osciloskopu zobrazuje odozvu filtra pri 100 Hz, 150 Hz a 155 Hz. Náš fyzický obvod mal prahovú hodnotu bližšiu k 155 Hz, ukázanú pomerom -3 dB.

Krok 5: High-pass filter

Prečo to potrebujeme:

High-pass filter sa používa tak, že sa nezaznamenávajú frekvencie pod určitou hraničnou hodnotou, čo umožňuje prechod čistého signálu. Medznou frekvenciou je 0,5 Hz (štandardná hodnota pre monitory EKG).

Ako ho postaviť:

Hodnoty odporu a kondenzátora potrebné na dosiahnutie tohto cieľa sú uvedené nižšie. Náš skutočný použitý odpor bol 318,2 kohm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • nastavte f = 0,5 Hz a C = 1 uF
  • Vypočítajte R. Naša hodnota je 318,310 kohm

Ako to otestovať:

Filter by mal prenášať frekvencie nad hranicou nezmenené. Toto je možné otestovať pomocou AC cyklu. Môžete to simulovať v PSpice alebo CircuitLab, alebo otestovať fyzické zariadenie alebo oboje!

Krok 6: Nastavenie LabVIEW

Vývojový diagram predstavuje koncept dizajnu časti projektu LabVIEW, ktorá zaznamenáva signál vysokou vzorkovacou frekvenciou a zobrazuje srdcový tep (BPM) a EKG. Náš obvod LabView obsahuje nasledujúce komponenty: asistent DAQ, indexové pole, aritmetické operátory, detekcia píkov, číselné indikátory, graf priebehu, zmena času, identifikátor max/min a číselné konštanty. Asistent DAQ je nastavený na odber kontinuálnych vzoriek s frekvenciou 1 kHz, pričom počet vzoriek sa zmení na 3 000 až 5 000 vzoriek na účely detekcie píkov a jasnosti signálu.

Umiestnením kurzora myši na rôzne súčiastky v schéme zapojenia si prečítajte, kde v LabVIEW ich nájdete!

Krok 7: Zhromažďovanie údajov

Teraz, keď je obvod zostavený, je možné zbierať údaje a zistiť, či funguje! Odošlite simulované EKG obvodom pri 1 Hz. Výsledkom by mal byť čistý signál EKG, kde je jasne vidieť komplex QRS, vlnu P a vlnu T. Srdcová frekvencia by mala zobrazovať aj 60 úderov za minútu (tep / min). Na ďalšie testovanie obvodu a nastavenia LabVIEW zmeňte frekvenciu na 1,5 Hz a 0,5 Hz. Srdcová frekvencia by sa mala zmeniť na 90 úderov za minútu a 30 úderov za minútu.

Aby sa pomalšie srdcové frekvencie zobrazovali presne, možno budete musieť upraviť nastavenia DAQ, aby na jeden graf zobrazovalo viac vĺn. To sa dá dosiahnuť zvýšením počtu vzoriek.

Ak sa rozhodnete testovať zariadenie na človeku, uistite sa, že napájací zdroj, ktorý používate pre operačné zosilňovače, obmedzuje prúd na 0,015 mA! Existuje niekoľko prijateľných konfigurácií elektród, ale rozhodli sme sa umiestniť kladnú elektródu na ľavý členok, zápornú elektródu na pravé zápästie a uzemňovaciu elektródu na pravý členok, ako je vidieť na priloženom obrázku.

Použitím niektorých základných konceptov obvodov a našich znalostí o ľudskom srdci sme vám ukázali, ako vytvoriť zábavné a užitočné zariadenie. Dúfame, že sa vám náš návod páčil!