Krug elektrokardiograma (EKG): 7 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

Napomena: Ovo nije medicinski uređaj. Ovo je samo u obrazovne svrhe korištenjem simuliranih signala. Ako ovaj krug koristite za stvarna mjerenja EKG-a, provjerite koriste li krug i veze krug-instrument ispravne tehnike izolacije.

Mi smo dva studenta biomedicinskog inženjerstva i nakon što smo pohađali prvi tečaj kola, bili smo jako uzbuđeni i odlučili smo se poslužiti osnovama koje smo naučili učiniti nešto korisno: prikazati EKG i očitati broj otkucaja srca. Ovo bi bio najsloženiji krug koji smo dosad izgradili!

Nekoliko informacija o EKG -u:

Mnogi električni uređaji koriste se za mjerenje i bilježenje biološke aktivnosti u ljudskom tijelu. Jedan od takvih uređaja je elektrokardiogram, koji mjeri električne signale koje proizvodi srce. Ovi signali daju objektivne informacije o građi i funkciji srca. EKG je prvi put razvijen 1887. godine i liječnicima je dao novi način dijagnosticiranja srčanih komplikacija. EKG -om se može otkriti srčani ritam, broj otkucaja srca, srčani udari, neadekvatna opskrba srca krvlju i kisikom te strukturne abnormalnosti. Koristeći jednostavan dizajn kruga, može se napraviti EKG koji bi mogao pratiti sve te stvari.

Korak 1: Materijali

Izgradnja kruga

Osnovni materijali potrebni za izgradnju sklopa prikazani su na slikama. Oni uključuju:

• Oglasna ploča
• Operacijska pojačala
  • Sva op pojačala koja se koriste u ovom krugu su LM741.
  • Za više informacija pogledajte podatkovnu tablicu:
• Otpornici
• Kondenzatori
• Žice

• Elektrode koje se lijepe

  Oni su potrebni samo ako odlučite isprobati krug na stvarnoj osobi

Korišteni softver uključuje:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab ili PSpice za simulacije provjere vrijednosti

• Excel

  To se jako preporučuje u slučaju da trebate promijeniti bilo koju karakteristiku vašeg kruga. Možda ćete se također morati igrati s brojevima dok ne pronađete vrijednosti otpornika i kondenzatora koje su lako dostupne. Izračuni olovkom i papirom obeshrabreni za ovaj! Priložili smo izračune proračunskih tablica kako bismo dali ideju

Testiranje kruga

Trebat će vam i veća elektronička oprema:

• Napajanje istosmjernom strujom
• DAQ ploča za povezivanje kruga s LabVIEW -om
• Generator funkcija za ispitivanje kruga
• Osciloskop za ispitivanje kruga

Korak 2: Instrumentalno pojačalo

Zašto nam treba:

Napravit ćemo instrumentacijsko pojačalo kako bismo pojačali malu amplitudu izmjerenu od tijela. Korištenje dva pojačala u našoj prvoj fazi omogućit će nam da poništimo šum koji stvara tijelo (koji će biti isti na obje elektrode). Koristit ćemo dvije faze približno jednakog dobitka - ovo štiti korisnika ako je sustav povezan s osobom sprječavajući da se sav dobitak dogodi na jednom mjestu. Budući da je normalna amplituda EKG signala između 0,1 i 5 mV, želimo da dobitak instrumentalnog pojačala bude oko 100. Prihvatljiva tolerancija na pojačanje je 10%.

Kako ga izgraditi:

Koristeći ove specifikacije i jednadžbe prikazane u tablici (priložene slike), ustanovili smo da su naše vrijednosti otpornika R1 = 1,8 kiloOhma, R2 = 8,2 kiloOhma, R3 = 1,5 kiloOhma i R4 = 15 kiloOhma. K1 je dobitak prve faze (OA1 i OA2), a K2 dobitak druge faze (OA3). Zaobilazni kondenzatori jednakog kapaciteta koriste se na izvorima napajanja operacijskih pojačala za uklanjanje šuma.

Kako ga testirati:

Svaki signal koji se dovodi u instrumentacijsko pojačalo trebao bi biti pojačan za 100. Korištenjem dB = 20log (Vout/Vin) to znači omjer od 40 dB. To možete simulirati u PSpice -u ili CircuitLab -u ili testirati fizički uređaj ili oboje!

Priložena slika osciloskopa prikazuje dobitak od 1000. Za pravi EKG, ovo je previsoko!

Korak 3: Notch filter

Zašto nam treba:

Koristit ćemo urezni filter za uklanjanje šuma od 60 Hz prisutnog u svim izvorima napajanja u Sjedinjenim Državama.

Kako ga izgraditi:

Faktor kvalitete Q postavit ćemo na 8, što će osigurati prihvatljiv izlaz filtriranja, a vrijednosti komponenti držati u prihvatljivom rasponu. Također smo postavili vrijednost kondenzatora na 0,1 μF tako da proračuni utječu samo na otpornike. Izračunate i korištene vrijednosti otpornika mogu se vidjeti u tablici (na slikama) ili ispod

• Q = w/B

  postavite Q na 8 (ili odaberite vlastiti prema vlastitim potrebama)

• w = 2*pi*f

  koristiti f = 60 Hz

• C

  postavite na 0,1 uF (ili odaberite vlastitu vrijednost iz dostupnih kondenzatora)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Izračunati. Naša vrijednost je 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Izračunati. Naša vrijednost je 424,4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Izračunati. Naša vrijednost je 1,65 kohm

Kako ga testirati:

Urezani filter trebao bi propustiti sve frekvencije nepromijenjene osim onih oko 60 Hz. To se može provjeriti čišćenjem izmjenične struje. Filter s pojačanjem od -20 dB pri 60 Hz smatra se dobrim. To možete simulirati u PSpice -u ili CircuitLab -u ili testirati fizički uređaj ili oboje!

Ova vrsta filtera s urezima može generirati dobar zarez u simuliranom izmjeri izmjenične struje, ali fizičko ispitivanje pokazalo je da su naše izvorne vrijednosti generirale zarez na nižoj frekvenciji od predviđene. Da bismo to popravili, pojačali smo R2 za oko 25 kohm.

Slika osciloskopa pokazuje da filter uvelike smanjuje veličinu ulaznog signala na 60 Hz. Grafikon prikazuje izmjeničnu struju za visokokvalitetni usjek filtra.

Korak 4: Niskopropusni filtar

Zašto nam treba:

Posljednja faza uređaja je aktivni niskopropusni filter. EKG signal sastoji se od mnogo različitih valnih oblika, od kojih svaki ima svoju frekvenciju. Sve to želimo snimiti, bez ikakvih visokofrekventnih šumova. Odabrana je standardna granična frekvencija za EKG monitore od 150 Hz. (Ponekad se odabiru veće granice za praćenje specifičnih srčanih problema, ali za naš projekt koristit ćemo uobičajenu granicu.)

Ako želite napraviti jednostavniji krug, možete koristiti i pasivni niskopropusni filter. Ovo neće uključivati op pojačalo, a sastojat će se samo od otpornika u seriji s kondenzatorom. Izlazni napon će se mjeriti preko kondenzatora.

Kako ga izgraditi:

Dizajnirat ćemo ga kao Butterworthov filter drugog reda, koji ima koeficijente a i b jednake 1,414214 odnosno 1. Postavljanjem pojačanja na 1 operativno pojačalo postaje sljedbenik napona. Odabrane jednadžbe i vrijednosti prikazane su u tablici (na slikama) i ispod.

• w = 2*pi*f

  postavljeno f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Izračunati. Naša vrijednost je 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Izračunati. Naša vrijednost je 0,033 uF

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

  Izračunati. Naša vrijednost je 18,836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Izračunati. Naša vrijednost je 26.634 kohm

Kako ga testirati:

Filter bi trebao propustiti frekvencije ispod granične vrijednosti nepromijenjene. To se može testirati pomoću AC sweep -a. To možete simulirati u PSpice -u ili CircuitLab -u ili testirati fizički uređaj ili oboje!

Slika osciloskopa prikazuje odziv filtera na 100 Hz, 150 Hz i 155 Hz. Naš fizički krug imao je prekid bliže 155 Hz, što je pokazano omjerom -3 dB.

Korak 5: Visokopropusni filtar

Zašto nam treba:

Visokopropusni filtar koristi se tako da se ne bilježe frekvencije ispod određene granične vrijednosti, čime se omogućuje prolaz čistog signala. Granična frekvencija odabrana je 0,5 Hz (standardna vrijednost za EKG monitore).

Kako ga izgraditi:

Vrijednosti otpornika i kondenzatora potrebne za to su prikazane u nastavku. Naš stvarni otpor upotrijebljen je 318,2 kohm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • postavljeno f = 0,5 Hz i C = 1 uF
  • Izračunajte R. Naša vrijednost je 318.310 kohm

Kako ga testirati:

Filter bi trebao propuštati frekvencije iznad granične vrijednosti nepromijenjene. To se može testirati pomoću izmjenjivača izmjenične struje. To možete simulirati u PSpice -u ili CircuitLab -u ili testirati fizički uređaj ili oboje!

Korak 6: Postavljanje LabVIEW -a

Dijagram toka prikazuje koncept dizajna LabVIEW dijela projekta koji snima signal velikom brzinom uzorkovanja i prikazuje otkucaje srca (BPM) i EKG. Naš LabView sklop sadrži sljedeće komponente: DAQ pomoćnik, niz indeksa, aritmetički operatori, otkrivanje vrhova, numerički pokazatelji, grafikon valnog oblika, promjena u vremenu, identifikator maks/min i brojčane konstante. Pomoćnik DAQ -a postavljen je za uzimanje kontinuiranih uzoraka brzinom od 1 kHz, pri čemu je broj uzoraka promijenjen između 3 000 i 5 000 uzoraka radi otkrivanja vrha i jasnoće signala.

Pređite mišem preko različitih komponenti u dijagramu kruga da biste pročitali gdje ih u LabVIEW -u možete pronaći!

Korak 7: Prikupljanje podataka

Sada kada je sklop sklopljen, mogu se prikupiti podaci da se vidi radi li! Pošaljite simulirani EKG kroz krug na 1 Hz. Rezultat bi trebao biti čisti EKG signal gdje se mogu jasno vidjeti QRS kompleks, P val i T val. Otkucaji srca također bi trebali prikazivati 60 otkucaja u minuti (bpm). Za daljnje testiranje kruga i postavke LabVIEW promijenite frekvenciju na 1,5 Hz i 0,5 Hz. Broj otkucaja srca trebao bi se promijeniti na 90 otkucaja u minuti, odnosno 30 otkucaja u minuti.

Da bi se sporiji otkucaji srca točno prikazali, možda ćete morati prilagoditi postavke DAQ -a tako da prikazuje više valova po grafikonu. To se može učiniti povećanjem broja uzoraka.

Ako odaberete testirati uređaj na ljudima, provjerite je li napajanje koje koristite za op pojačala ograničava struju na 0,015 mA! Postoji nekoliko prihvatljivih konfiguracija elektroda, ali mi smo odlučili postaviti pozitivnu elektrodu na lijevi gležanj, negativnu elektrodu na desni zglob i uzemljenu elektrodu na desnom gležnju, kao što se vidi na priloženoj slici.

Koristeći neke osnovne koncepte sklopova i naše znanje o ljudskom srcu, pokazali smo vam kako stvoriti zabavan i koristan uređaj. Nadamo se da ste uživali u našem vodiču!