EKG a monitor srdcového tepu: 7 krokov (s obrázkami)

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

UPOZORNENIE: Toto nie je zdravotnícky prístroj. 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.

Jedným z najdôležitejších diagnostických nástrojov používaných na detekciu týchto stavov je elektrokardiogram (EKG). Elektrokardiogram funguje tak, že sleduje elektrický impulz cez vaše srdce a prenáša ho späť do zariadenia [1]. Signál je zachytávaný z elektród umiestnených na tele. Umiestnenie elektród je rozhodujúce pre zachytenie fyziologických signálov, pretože fungujú tak, že zaznamenávajú rozdiel potenciálov v celom tele. Štandardné umiestnenie elektród je použitie Einthoven trojuholníka. Tu je jedna elektróda umiestnená na pravej ruke, ľavej ruke a ľavej nohe. Ľavá noha funguje ako uzemnenie elektród a zachytáva frekvenčný šum v tele. Pravá ruka má zápornú elektródu a ľavá kladnú elektródu na výpočet rozdielu potenciálu v hrudníku, a teda na zachytenie elektrickej energie zo srdca [2]. Cieľom tohto projektu bolo vytvoriť zariadenie, ktoré dokáže úspešne získať signál EKG a zreteľne reprodukuje signál bez šumu a s pridaním merania srdcového tepu.

Krok 1: Materiály a nástroje

• Rôzne odpory a kondenzátory
• Breadboard
• Generátor funkcií
• Osciloskop
• Napájanie jednosmerným prúdom
• Operačné zosilňovače
• Počítač s nainštalovaným programom LABView
• BNC káble
• Asistent DAQ

Krok 2: Zostavte zosilňovač prístrojov

Aby sa primerane zosilnil bioelektrický signál, celkový zisk dvojstupňového prístrojového zosilňovača by mal byť 1 000. Každý stupeň sa vynásobí, aby sa získal celkový zisk, a rovnice použité na výpočet jednotlivých stupňov sú uvedené nižšie.

Stupeň 1 zisk: K1 = 1+2*R2/R1 Stupeň 2 zisk: K2 = -R4/R3

Použitím vyššie uvedených rovníc boli hodnoty odporu, ktoré sme použili, R1 = 10kΩ, R2 = 150kΩ, R3 = 10kΩ a R4 = 33kΩ. Aby ste zaistili, že tieto hodnoty poskytnú požadovaný výstup, môžete to simulovať online alebo to môžete otestovať pomocou osciloskopu po vybudovaní fyzického zosilňovača.

Po pripojení vybraných rezistorov a operačných zosilňovačov v doske na chlieb budete potrebovať napájacie zosilňovače ± 15 V z jednosmerného zdroja napájania. Ďalej pripojte generátor funkcií k vstupu zosilňovača prístrojov a osciloskop k výstupu.

Vyššie uvedená fotografia ukazuje, že dokončený prístrojový zosilňovač bude vyzerať ako na doske. Ak chcete skontrolovať, či funguje správne, nastavte generátor funkcií tak, aby produkoval sínusovú vlnu na 1kHz s amplitúdou špička -špička 20 mV. Výstup zo zosilňovača na osciloskope by mal mať špičkovú amplitúdu 20 V, pretože pri správnej funkcii je zisk 1000.

Krok 3: Vytvorte filter Notch

Vzhľadom na hluk elektrického vedenia bol potrebný filter na odfiltrovanie šumu pri 60 Hz, čo je hluk elektrického vedenia v USA. Bol použitý zárezový filter, pretože filtruje konkrétnu frekvenciu. Na výpočet hodnôt odporu boli použité nasledujúce rovnice. Kvalitatívny faktor (Q) 8 fungoval dobre a pre jednoduchú konštrukciu boli zvolené hodnoty kondenzátora 0,1 uF. Frekvencia v rovniciach (znázornená ako w) je frekvencia zárezu 60 Hz vynásobená 2π.

R1 = 1/(2QwC)

R2 = 2Q/(wC)

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

Použitím vyššie uvedených rovníc boli hodnoty odporu, ktoré sme použili, R1 = 1,5kΩ, R2 = 470kΩ a R3 = 1,5kΩ. Aby ste zaistili, že tieto hodnoty poskytnú požadovaný výstup, môžete to simulovať online alebo to môžete otestovať pomocou osciloskopu po vybudovaní fyzického zosilňovača.

Vyššie uvedený obrázok ukazuje, ako bude dokončený zárezový filter vyzerať na doske. Nastavenie pre operačné zosilňovače je rovnaké ako pre prístrojový zosilňovač a funkčný generátor by mal byť teraz nastavený tak, aby produkoval sínusovú vlnu na 1 kHz s amplitúdou špička-špička 1V. Ak vykonávate sweep AC, mali by ste byť schopní overiť, či sú odfiltrované frekvencie okolo 60 Hz.

Krok 4: Vytvorte dolnopriepustný filter

Aby sa odfiltroval vysokofrekvenčný šum, ktorý nesúvisí s EKG, bol vytvorený dolnopriepustný filter s medznou frekvenciou 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)

Použitím vyššie uvedených rovníc boli hodnoty odporu, ktoré sme použili, R1 = 12 kΩ, R2 = 135 kΩ, C1 = 0,01 µF a C2 = 0,068 µF. Hodnoty R3 a R4 boli nulové, pretože sme chceli, aby zisk, K, filtra bol nulový, preto sme tu vo fyzickom nastavení použili rezistory namiesto odporov. Aby ste zaistili, že tieto hodnoty poskytnú požadovaný výstup, môžete to simulovať online alebo to môžete otestovať pomocou osciloskopu po vybudovaní fyzického zosilňovača.

Na zostavenie fyzického filtra pripojte zvolené odpory a kondenzátory k operačnému zosilňovaču podľa schémy. Napájajte operačný zosilňovač a pripojte generátor funkcií a osciloskop rovnakým spôsobom, ako je popísané v predchádzajúcich krokoch. Nastavte generátor funkcií tak, aby produkoval sínusovú vlnu pri 150 Hz a s amplitúdou špička-špička asi 1 V. Pretože 150 Hz by mala byť medzná frekvencia, ak filter funguje správne, veľkosť by mala byť pri tejto frekvencii 3dB. To vám povie, či je filter správne nastavený.

Krok 5: Pripojte všetky komponenty dohromady

Po zostavení každého komponentu a jeho samostatnom testovaní je možné všetky zapojiť do série. Pripojte funkčný generátor k vstupu zosilňovača prístrojov a potom jeho výstup pripojte k vstupu zárezového filtra. Vykonajte to znova pripojením výstupu zárezového filtra k vstupu dolnopriepustného filtra. Výstup dolnopriepustného filtra by sa potom mal pripojiť k osciloskopu.

Krok 6: Nastavte LabVIEW

Priebeh srdcového rytmu na EKG sa potom zachytil pomocou asistenta DAQ a LabView. Asistent DAQ získava analógové signály a definuje parametre vzorkovania. Pripojte asistenta DAQ k funkčnému generátoru generujúcemu srdcový signál arb a k počítaču pomocou LabView. Nastavte LabView podľa schémy uvedenej vyššie. Asistent DAQ prinesie srdcovú vlnu z generátora funkcií. Ak chcete graf zobraziť, pridajte do svojho nastavenia LabView aj graf priebehu. Pomocou numerických operátorov nastavte prah pre maximálnu hodnotu. V schematickom znázornení bolo použitých 80%. Analýza píkov by sa mala použiť aj na nájdenie špičkových polôh a ich prepojenie so zmenou času. Vynásobte maximálnu frekvenciu 60, aby ste vypočítali údery za minútu a toto číslo sa zobrazilo vedľa grafu.

Krok 7: Teraz môžete zaznamenať EKG

[1] „Elektrokardiogram - Srdcové informačné centrum Texas Heart Institute.“[Online]. K dispozícii: https://www.texasheart.org/HIC/Topics/Diag/diekg.cfm. [Prístup: 09-Dec-2017].

[2] „Vodiče EKG, polarita a Einthovenov trojuholník - študentský fyziológ.“[Online]. K dispozícii: https://thephysiologist.org/study-materials/the-ecg-leads-polarity-and-einthovens-triangle/. [Prístup: 10. decembra 2017].