EKG ķēde: 7 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:57

EKG ir tests, kas mēra sirds elektrisko aktivitāti, reģistrējot sirds ritmu un aktivitāti. Tas darbojas, uztverot un nolasot signālus no sirds, izmantojot vadus, kas pievienoti elektrokardiogrāfijas iekārtai. Šī pamācība parādīs, kā izveidot ķēdi, kas reģistrē, filtrē un parāda sirds bioelektrisko signālu. Šī nav medicīnas ierīce. Tas ir paredzēts tikai izglītojošiem mērķiem, izmantojot simulētus signālus. Ja izmantojat šo shēmu reāliem EKG mērījumiem, lūdzu, pārliecinieties, ka ķēde un ķēdes un instrumenta savienojumi izmanto pareizas izolācijas metodes.

Šī shēma satur trīs dažādus posmus, kas sērijveidā savienoti ar LabView programmu. Instrumentu pastiprinātāja rezistori tika aprēķināti ar 975 pastiprinājumu, lai nodrošinātu, ka mazos signālus no sirds joprojām var uztvert ķēde. Izgriezuma filtrs noņem 60 Hz troksni no sienas kontaktligzdas. Zemfrekvences filtrs nodrošina augstfrekvences trokšņa noņemšanu no ķēdes, lai labāk noteiktu signālu.

Pirms sākt šo pamācību, būtu noderīgi iepazīties ar vispārējā lietojuma pastiprinātāju uA741. Dažādām op-amp tapām ir dažādi mērķi, un ķēde nedarbosies, ja tās ir nepareizi pievienotas. Piespraudes nepareizi savienot ar maizes dēli ir arī vienkāršs veids, kā cept op-amp un padarīt to nefunkcionālu. Zemāk esošajā saitē ir iekļauta shēma, kas izmantota šajā pamācībā izmantotajiem op-amp.

Attēla avots:

1. darbība: savāc materiālus

Materiāli, kas nepieciešami visiem 3 filtra posmiem:

• Osciloskops
• Funkciju ģenerators
• Barošanas avots (+15V, -15V)
• Maizes dēlis bez lodēšanas
• Dažādi banānu kabeļi un aligatora skavas
• EKG elektrodu uzlīmes
• Dažādi džemperu vadi

Instrumentu pastiprinātājs:

• 3 op-amp (uA741)

• Rezistori:

  • 1 kΩ x 3
  • 12 kΩ x 2
  • 39 kΩ x 2

Griezuma filtrs:

• 1 op-amp (uA741)

• Rezistori:

  • 1,6 kΩ x 2
  • 417 kΩ

• Kondensatori:

  • 100 nF x 2
  • 200 nF

Zemas caurlaides filtrs:

• 1 op. Pastiprinātājs (uA741)

• Rezistori:

  • 23,8 kΩ
  • 43 kΩ

• Kondensatori:

  • 22 nF
  • 47 nF

2. darbība: izveidojiet instrumentālo pastiprinātāju

Bioloģiskie signāli bieži izvada tikai spriegumu no 0,2 līdz 2 mV [2]. Šie spriegumi ir pārāk mazi, lai tos varētu analizēt osciloskopā, tāpēc mums vajadzēja izveidot pastiprinātāju.

Kad ķēde ir izveidota, pārbaudiet, vai tā darbojas pareizi, izmērot spriegumu pie Vout (attēlā parādīts kā 2. mezgls). Mēs izmantojām funkciju ģeneratoru, lai nosūtītu sinusoidālu viļņu ar ieejas amplitūdas spriegumu 20 mV uz mūsu instrumentu pastiprinātāju. Viss, kas ir pārāk tālu, nedos jums vēlamos rezultātus, jo op pastiprinātāji saņēma tikai noteiktu jaudu -15 un +15 V. Salīdziniet funkciju ģeneratora izvadi ar instrumentu pastiprinātāja izeju un meklējiet peļņu, kas ir tuvu 1000 V. (Vout/Vin jābūt ļoti tuvu 1000).

Padoms problēmu novēršanai: pārliecinieties, vai visi rezistori ir kΩ diapazonā.

[2] “Augstas veiktspējas elektrokardiogrammas (EKG) signālu kondicionēšana | Izglītība | Analogās ierīces.” [Tiešsaistē]. Pieejams: https://www.analog.com/en/education/education-library/articles/high-perf-electrocardiogram-signal-conditioning.html. [Skatīts: 2017. gada 10. decembris].]

3. darbība: izveidojiet iecirtuma filtru

Mūsu iecirtuma filtrs bija paredzēts, lai filtrētu 60 Hz frekvenci. Mēs vēlamies filtrēt 60 Hz no mūsu signāla, jo tā ir maiņstrāvas frekvence, kas atrodama elektrības kontaktligzdās.

Pārbaudot iecirtuma filtru, izmēriet maksimuma un pīķa attiecību starp ieejas un izejas grafikiem. Pie 60 Hz jābūt attiecībai -20 dB vai labāk. Tas ir tāpēc, ka pie -20 dB izejas spriegums būtībā ir 0 V, kas nozīmē, ka jūs veiksmīgi filtrējāt signālu pie 60 Hz! Pārbaudiet arī frekvences ap 60 Hz, lai pārliecinātos, ka nejauši netiek filtrētas citas frekvences.

Padoms problēmu novēršanai: ja jūs nevarat iegūt precīzi -20dB pie 60 Hz, izvēlieties vienu rezistoru un nedaudz mainiet to, līdz iegūstat vēlamos rezultātus. Mums bija jāspēlē ar R2 vērtību, līdz ieguvām vēlamos rezultātus.

4. darbība: izveidojiet zemas caurlaidības filtru

Mūsu zemas caurlaidības filtrs tika izstrādāts ar 150 Hz ierobežojuma frekvenci. Mēs izvēlējāmies šo ierobežojumu, jo visplašākais EKG diagnostikas diapazons ir 0,05 Hz - 150 Hz, pieņemot, ka vide ir nekustīga un zema trokšņa [3]. Zemas caurlaidības filtrs spēj atbrīvoties no augstfrekvences trokšņa, ko rada muskuļi vai citas ķermeņa daļas [4].

Lai pārbaudītu šo ķēdi, lai pārliecinātos, ka tā darbojas pareizi, izmēriet Vout (shēmas diagrammā parādīts kā 1. mezgls). Pie 150 Hz izejas signāla amplitūda ir 0,7 reizes lielāka par ieejas signāla amplitūdu. Mēs izmantojām 1V ieejas signālu, lai varētu viegli redzēt, ka mūsu izejai jābūt 0,7 pie 150 Hz.

Padomi problēmu novēršanai: kamēr jūsu izslēgšanas frekvence ir dažu 150 Hz robežās, jūsu ķēdei joprojām vajadzētu darboties. Mūsu robežvērtība bija 153 Hz. Bioloģisko signālu diapazons organismā nedaudz svārstīsies, tāpēc, kamēr neesat izslēgts vairāk par dažiem Hz, jūsu ķēdei joprojām vajadzētu darboties.

[3] “EKG filtri | MEDTEQ.” [Tiešsaistē]. Pieejams: https://www.medteq.info/med/ECGFilters. [Skatīts: 2017. gada 10. decembris].

[4] K. L. Venkatachalam, J. E. Herbrandson un S. J. Asirvatham, “Signals and Signal Processing for the Electrophysiologist: I Part: Electrogram Acquisition”, Circ. Aritmija Electrophysiol., Sēj. 4, nē. 6, 965. – 973. Lpp., 2011. gada decembris.

5. darbība: izveidojiet LabView programmu

[5] “BME 305 Design Lab Project” (2017. gada rudens).

Šī laboratorijas skata blokshēma ir izstrādāta, lai analizētu signālu, kas iet caur programmu, noteiktu EKG maksimumus, savāktu laika starpību starp pīķiem un matemātiski aprēķinātu BPM. Tas arī izvada EKG viļņu formas diagrammu.

6. darbība: savienojiet visus trīs posmus

Pievienojiet visas trīs ķēdes sērijveidā, savienojot instrumentu pastiprinātāja izeju ar iecirtuma filtra ieeju un iecirtuma filtra izeju ar zemas caurlaidības filtra ieeju. Pievienojiet zemas caurlaidības filtra izvadi DAQ palīgam un pievienojiet DAQ palīgu datoram. Savienojot ķēdes kopā, pārliecinieties, vai katras maizes dēļa barošanas strāvas ir savienotas un visas zemējuma sloksnes ir pievienotas vienam un tam pašam zemējuma spailim.

Mērinstrumentu pastiprinātājā otrais op-amp ir jāpamato tā, lai divi elektrodu vadi, kas ir savienoti ar testa subjektu, katrs varētu izveidot savienojumu ar citu op pastiprinātāju šī filtra pirmajā posmā.

7. solis: iegūstiet signālus no cilvēka testa subjekta

Uz katras plaukstas locītavas jāuzliek viena elektrodu uzlīme, bet zemei - uz potītes. Izmantojiet aligatora skavas, lai savienotu divus plaukstas elektrodus ar instrumentu pastiprinātāja ieejām un potīti pie zemes. Kad esat gatavs, noklikšķiniet uz “palaist” LabView programmā un ekrānā redziet savu sirdsdarbības ātrumu un EKG!