Електрокардиограма (ЕКГ) Верига: 7 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:54

Забележка: Това не е медицинско изделие. Това е само за образователни цели, като се използват симулирани сигнали. Ако използвате тази схема за реални измервания на ЕКГ, моля, уверете се, че веригата и връзките верига към инструмент използват подходящи техники за изолация.

Ние сме двама студенти по биомедицинско инженерство и след като взехме първия си курс по схеми, бяхме доста развълнувани и решихме да използваме основите, които научихме, за да направим нещо полезно: покажете ЕКГ и прочетете сърдечната честота. Това би било най -сложната верига, която сме изградили досега!

Някои данни за ЕКГ:

Много електрически устройства се използват за измерване и записване на биологичната активност в човешкото тяло. Едно такова устройство е електрокардиограмата, която измерва електрическите сигнали, произвеждани от сърцето. Тези сигнали дават обективна информация за структурата и функцията на сърцето. ЕКГ е разработена за първи път през 1887 г. и дава на лекарите нов начин за диагностициране на сърдечни усложнения. ЕКГ може да открие сърдечен ритъм, сърдечен ритъм, инфаркти, недостатъчно снабдяване с кръв и кислород към сърцето и структурни аномалии. Използвайки опростена схема, може да се направи ЕКГ, която да наблюдава всички тези неща.

Стъпка 1: Материали

Изграждане на веригата

Основните материали, необходими за изграждането на веригата, са показани на снимки. Те включват:

• Платка

• Операционни усилватели

  • Всички операционни усилватели, използвани в тази схема, са LM741.
  • За повече информация вижте листа с данни:
• Резистори
• Кондензатори
• Проводници

• Прилепващи електроди

  Те са необходими само ако решите да опитате веригата на истински човек

Използваният софтуер включва:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab или PSpice за симулации за проверка на стойностите

• Excel

  Това е силно препоръчително в случай, че трябва да промените някои характеристики на вашата верига. Може също да се наложи да играете с числата, докато намерите стойностите на резистора и кондензатора, които са лесно достъпни. Изчисленията на химикалка и хартия не са обезкуражени за това! Приложихме нашите изчисления на електронни таблици, за да дадем представа

Тестване на веригата

Ще ви трябва и по -голямо електронно оборудване:

• DC захранване
• DAQ платка за свързване на веригата към LabVIEW
• Функционален генератор за тестване на верига
• Осцилоскоп за тестване на верига

Стъпка 2: Инструментален усилвател

Защо имаме нужда от това:

Ще изградим инструментален усилвател, за да усилим малката амплитуда, измерена от тялото. Използването на два усилвателя на първия ни етап ще ни позволи да премахнем шума, създаван от тялото (който ще бъде един и същ при двата електрода). Ще използваме два етапа с приблизително еднаква печалба - това защитава потребителя, ако системата е свързана с човек, като предотвратява цялата печалба да се случи на едно място. Тъй като нормалната амплитуда на ЕКГ сигнал е между 0,1 и 5 mV, искаме усилването на инструменталния усилвател да бъде около 100. Приемлив толеранс на усилването е 10%.

Как да го изградите:

Използвайки тези спецификации и уравненията, видени в таблицата (приложените снимки), открихме, че стойностите на резистора ни са R1 = 1,8 килоОма, R2 = 8,2 килоОма, R3 = 1,5 килоОма и R4 = 15 килоОма. K1 е усилването на първия етап (OA1 и OA2), а K2 е усилването на втория етап (OA3). Байпасните кондензатори с еднакъв капацитет се използват за захранванията на операционните усилватели за премахване на шума.

Как да го тествате:

Всеки сигнал, който се подава в инструменталния усилвател, трябва да бъде усилен със 100. Използвайки dB = 20log (Vout/Vin) това означава съотношение 40 dB. Можете да симулирате това в PSpice или CircuitLab или да тествате физическото устройство или и двете!

Приложеното изображение на осцилоскопа показва печалба от 1000. За истинска ЕКГ това е твърде високо!

Стъпка 3: Notch Filter

Защо имаме нужда от това:

Ще използваме назъбен филтър, за да премахнем 60 Hz шума, присъстващ във всички захранвания в Съединените щати.

Как да го изградите:

Ще зададем коефициента на качество Q на 8, което ще осигури приемлив изход за филтриране, като същевременно поддържа стойностите на компонентите в допустимия диапазон. Също така задаваме стойността на кондензатора на 0,1 μF, така че изчисленията да засягат само резисторите. Стойностите на резисторите, изчислени и използвани, могат да се видят в таблицата (на снимките) или по -долу

• Q = w/B

  задайте Q на 8 (или изберете свой собствен въз основа на вашите собствени нужди)

• w = 2*pi*f

  използвайте f = 60 Hz

• ° С

  настройте на 0,1 uF (или изберете собствена стойност от наличните кондензатори)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Изчисли. Нашата стойност е 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Изчисли. Нашата стойност е 424.4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Изчисли. Нашата стойност е 1,65 kohm

Как да го тествате:

Филтърът с прорези трябва да пропуска всички честоти непроменени, с изключение на тези около 60 Hz. Това може да се провери с променлив ток. Филтър с усилване от -20 dB при 60 Hz се счита за добър. Можете да симулирате това в PSpice или CircuitLab или да тествате физическото устройство или и двете!

Този вид филтър с прорези може да генерира добра прореза в симулираното AC прочистване, но физически тест показа, че нашите първоначални стойности генерират прорез на по -ниска честота от предвиденото. За да поправим това, увеличихме R2 с около 25 kohm.

Изображението на осцилоскопа показва, че филтърът значително намалява величината на входния сигнал при 60 Hz. Графиката показва променлив ток за висококачествен филтър с прорези.

Стъпка 4: Нискочестотен филтър

Защо имаме нужда от това:

Последният етап на устройството е активен нискочестотен филтър. ЕКГ сигналът се състои от много различни форми на вълни, всяка от които има своя собствена честота. Искаме да уловим всичко това, без никакъв високочестотен шум. Избира се стандартната гранична честота за ЕКГ монитори от 150 Hz. (По -високи гранични стойности понякога се избират за наблюдение на специфични сърдечни проблеми, но за нашия проект ще използваме нормално прекъсване.)

Ако искате да направите по-проста схема, можете да използвате и пасивен нискочестотен филтър. Това няма да включва операционен усилвател и ще се състои само от последователно резистор с кондензатор. Изходното напрежение ще бъде измерено в кондензатора.

Как да го изградите:

Ще го проектираме като филтър от втори ред на Butterworth, който има коефициенти a и b, съответстващи съответно на 1,414214 и 1. Задаването на усилването на 1 превръща операционния усилвател в последовател на напрежение. Избраните уравнения и стойности са показани в таблицата (на снимки) и по -долу.

• w = 2*pi*f

  зададено f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Изчисли. Нашата стойност е 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Изчисли. Нашата стойност е 0,033 uF

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

  Изчисли. Нашата стойност е 18.836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Изчисли. Нашата стойност е 26.634 kohm

Как да го тествате:

Филтърът трябва да пропуска честотите под границата непроменен. Това може да бъде тествано с помощта на променлив ток. Можете да симулирате това в PSpice или CircuitLab или да тествате физическото устройство или и двете!

Изображението на осцилоскопа показва реакцията на филтъра при 100 Hz, 150 Hz и 155 Hz. Нашата физическа верига имаше прекъсване по -близо до 155 Hz, показано от съотношението -3 dB.

Стъпка 5: Високочестотен филтър

Защо имаме нужда от това:

Високочестотният филтър се използва така, че честотите под определена гранична стойност не се записват, което позволява преминаването на чист сигнал. Изключващата честота е избрана да бъде 0,5 Hz (стандартна стойност за ЕКГ монитори).

Как да го изградите:

Стойностите на резистора и кондензатора, необходими за постигане на това, са видени по -долу. Действителното ни съпротивление беше 318,2 kohm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • задайте f = 0,5 Hz и C = 1 uF
  • Изчислете R. Нашата стойност е 318.310 kohm

Как да го тествате:

Филтърът трябва да пропуска честотите над границата непроменен. Това може да бъде тествано с помощта на AC почистване. Можете да симулирате това в PSpice или CircuitLab или да тествате физическото устройство или и двете!

Стъпка 6: Настройване на LabVIEW

Блок -схемата излага концепцията за дизайн на частта от проекта LabVIEW, която записва сигнала с висока честота на дискретизация и показва сърдечната честота (BPM) и ЕКГ. Нашата верига LabView съдържа следните компоненти: DAQ асистент, масив от индекси, аритметични оператори, откриване на пикове, числови индикатори, графика на формата на вълната, промяна във времето, макс/мин идентификатор и числови константи. DAQ асистентът е настроен да взема непрекъснати проби със скорост 1 kHz, като броят на пробите се променя между 3 000 и 5 000 проби за целите на откриване на пик и яснота на сигнала.

Наведете курсора на мишката върху различните компоненти в електрическата схема, за да прочетете къде в LabVIEW да ги намерите!

Стъпка 7: Събиране на данни

След като веригата е сглобена, могат да се събират данни, за да се види дали работи! Изпратете симулиран ЕКГ през веригата при 1 Hz. Резултатът трябва да бъде чист ЕКГ сигнал, където QRS комплексът, Р вълната и Т вълната могат да се видят ясно. Сърдечната честота също трябва да показва 60 удара в минута (bpm). За по -нататъшно тестване на веригата и настройката на LabVIEW, променете честотата на 1,5 Hz и 0,5 Hz. Сърдечната честота трябва да се промени съответно на 90 удара в минута и 30 удара в минута.

За да се показват по -бавно сърдечните честоти, може да се наложи да коригирате настройките на DAQ, за да се показват повече вълни на графика. Това може да стане чрез увеличаване на броя на пробите.

Ако решите да тествате устройството на човек, уверете се, че захранването, което използвате за операционните усилватели, ограничава тока при 0,015 mA! Има няколко приемливи конфигурации на проводници, но ние избрахме да поставим положителния електрод на левия глезен, отрицателния електрод на дясната китка и заземяващия електрод на десния глезен, както се вижда на приложената снимка.

Използвайки някои основни схеми и познанията ни за човешкото сърце, ние ви показахме как да създадете забавно и полезно устройство. Надяваме се, че сте харесали нашия урок!