Elektrokardiogrammas (EKG) shēma: 7 soļi

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

Piezīme: 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.

Mēs esam divi studenti biomedicīnas inženierzinātnēs, un pēc pirmās shēmu klases apmeklēšanas mēs bijām diezgan satraukti un nolēmām izmantot apgūtos pamatus, lai izdarītu kaut ko noderīgu: parādītu EKG un nolasītu sirdsdarbības ātrumu. Šī būtu vissarežģītākā shēma, ko esam izveidojuši!

Daži fakti par EKG:

Daudzas elektriskās ierīces tiek izmantotas, lai izmērītu un reģistrētu bioloģisko aktivitāti cilvēka organismā. Viena no šādām ierīcēm ir elektrokardiogramma, kas mēra sirds radītos elektriskos signālus. Šie signāli sniedz objektīvu informāciju par sirds uzbūvi un darbību. EKG pirmo reizi tika izstrādāta 1887. gadā un deva ārstiem jaunu veidu, kā diagnosticēt sirds komplikācijas. EKG var noteikt sirds ritmu, sirdsdarbības ātrumu, sirdslēkmes, nepietiekamu asins un skābekļa piegādi sirdij un strukturālas novirzes. Izmantojot vienkāršu shēmas dizainu, var izveidot EKG, kas varētu uzraudzīt visas šīs lietas.

1. solis: materiāli

Ķēdes veidošana

Pamatmateriāli, kas nepieciešami ķēdes izveidošanai, ir parādīti attēlos. Tajos ietilpst:

• Maizes dēlis

• Darbības pastiprinātāji

  • Visi šajā ķēdē izmantotie op pastiprinātāji ir LM741.
  • Lai iegūtu vairāk informācijas, skatiet datu lapu:
• Rezistori
• Kondensatori
• Vadi

• Uzlīmējamie elektrodi

  Tie ir nepieciešami tikai tad, ja jūs nolemjat izmēģināt ķēdi pie reālas personas

Izmantotā programmatūra ietver:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab vai PSpice simulācijām, lai pārbaudītu vērtības

• Excel

  Tas ir ļoti ieteicams, ja jums ir jāmaina kādas ķēdes īpašības. Jums, iespējams, būs jāspēlē ar skaitļiem, līdz atrodat viegli pieejamas rezistora un kondensatora vērtības. Aprēķini ar pildspalvu un papīru šim nav ieteicami! Mēs esam pievienojuši mūsu izklājlapas aprēķinus, lai sniegtu priekšstatu

Ķēdes pārbaude

Jums būs nepieciešams arī lielāks elektroniskais aprīkojums:

• Līdzstrāvas barošana
• DAQ plate, lai savienotu ķēdi ar LabVIEW
• Funkciju ģenerators testa ķēdei
• Osciloskops, lai pārbaudītu ķēdi

2. solis: Instrumentu pastiprinātājs

Kāpēc mums tas ir vajadzīgs:

Mēs izveidosim instrumentālo pastiprinātāju, lai pastiprinātu no ķermeņa izmērīto mazo amplitūdu. Divu pastiprinātāju izmantošana pirmajā posmā ļaus mums izslēgt ķermeņa radīto troksni (kas abos elektrodos būs vienāds). Mēs izmantosim divus aptuveni vienāda ieguvuma posmus - tas aizsargā lietotāju, ja sistēma ir savienota ar personu, neļaujot visiem ieguvumiem notikt vienā vietā. Tā kā normāla EKG signāla amplitūda ir no 0,1 līdz 5 mV, mēs vēlamies, lai instrumentu pastiprinātāja pastiprinājums būtu aptuveni 100. Pieņemama pielaides pielaide ir 10%.

Kā to izveidot:

Izmantojot šīs specifikācijas un tabulā redzamos vienādojumus (pievienotie attēli), mēs konstatējām, ka mūsu rezistoru vērtības ir R1 = 1,8 kiloOhms, R2 = 8,2 kiloOhm, R3 = 1,5 kiloOhm un R4 = 15 kiloOhm. K1 ir pirmā posma ieguvums (OA1 un OA2), un K2 ir otrā posma ieguvums (OA3). Operatīvo pastiprinātāju barošanas blokos tiek izmantoti vienādas kapacitātes apvada kondensatori, lai novērstu troksni.

Kā to pārbaudīt:

Jebkurš signāls, kas tiek ievadīts instrumentu pastiprinātājā, jāpastiprina par 100. Izmantojot dB = 20log (Vout/Vin), tas nozīmē attiecību 40 dB. Jūs to varat simulēt PSpice vai CircuitLab, vai pārbaudīt fizisko ierīci vai abus!

Pievienotajā osciloskopa attēlā redzams palielinājums 1000. Īstai EKG tā ir pārāk augsta!

3. darbība: iecirtuma filtrs

Kāpēc mums tas ir vajadzīgs:

Mēs izmantosim iecirtuma filtru, lai noņemtu 60 Hz troksni, kas atrodas visos ASV barošanas avotos.

Kā to izveidot:

Mēs iestatīsim kvalitātes koeficientu Q 8, kas nodrošinās pieņemamu filtrēšanas izvadi, vienlaikus saglabājot komponentu vērtības iespējamā diapazonā. Mēs arī iestatījām kondensatora vērtību 0,1 μF, lai aprēķini ietekmētu tikai rezistorus. Aprēķinātās un izmantotās rezistoru vērtības var redzēt tabulā (attēlos) vai zemāk

• Q = w/B

  iestatiet Q uz 8 (vai izvēlieties savu, pamatojoties uz savām vajadzībām)

• w = 2*pi*f

  izmantojiet f = 60 Hz

• C

  iestatiet uz 0,1 uF (vai izvēlieties savu vērtību no pieejamajiem kondensatoriem)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Aprēķināt. Mūsu vērtība ir 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Aprēķināt. Mūsu vērtība ir 424,4 kohmi

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Aprēķināt. Mūsu vērtība ir 1,65 kohm

Kā to pārbaudīt:

Izgriezuma filtram vajadzētu iziet visas frekvences nemainītā veidā, izņemot tās, kas ir aptuveni 60 Hz. To var pārbaudīt ar maiņstrāvas slaucīšanu. Filtrs ar pastiprinājumu -20 dB pie 60 Hz tiek uzskatīts par labu. Jūs to varat simulēt PSpice vai CircuitLab, vai pārbaudīt fizisko ierīci vai abus!

Šāda veida iecirtuma filtrs var radīt labu iecirtumu simulētajā maiņstrāvas slaucīšanā, taču fiziskā pārbaude parādīja, ka mūsu sākotnējās vērtības radīja iecirtumu zemākā frekvencē, nekā paredzēts. Lai to labotu, mēs palielinājām R2 par aptuveni 25 kohm.

Osciloskopa attēlā redzams, ka filtrs ievērojami samazina ieejas signāla lielumu pie 60 Hz. Diagrammā parādīts maiņstrāvas slaucīšana augstas kvalitātes iecirtuma filtram.

4. darbība: zemas caurlaides filtrs

Kāpēc mums tas ir vajadzīgs:

Ierīces pēdējais posms ir aktīvs zemas caurlaidības filtrs. EKG signālu veido daudzas dažādas viļņu formas, kurām katrai ir sava frekvence. Mēs vēlamies visu to uzņemt bez augstfrekvences trokšņa. EKG monitoriem ir izvēlēta standarta izslēgšanas frekvence 150 Hz. (Dažreiz tiek izvēlēti augstāki ierobežojumi, lai uzraudzītu konkrētas sirds problēmas, bet mūsu projektam mēs izmantosim parasto robežvērtību.)

Ja vēlaties izveidot vienkāršāku ķēdi, varat izmantot arī pasīvo zemas caurlaidības filtru. Tas neietvers op pastiprinātāju un sastāvēs tikai no rezistora virknē ar kondensatoru. Izejas spriegums tiks mērīts pa kondensatoru.

Kā to izveidot:

Mēs to veidosim kā otrās kārtas Butterworth filtru, kura koeficienti a un b ir attiecīgi 1,414214 un 1. Iestatot pastiprinājumu uz 1, darbības pastiprinātājs kļūst par sprieguma sekotāju. Izvēlētie vienādojumi un vērtības ir parādītas tabulā (attēlos) un zemāk.

• w = 2*pi*f

  kopa f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Aprēķināt. Mūsu vērtība ir 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Aprēķināt. Mūsu vērtība ir 0,033 uF

• R1 = 2/(w*(aC2+kv. (A^2*C2^2-4b*C1*C2)))

  Aprēķināt. Mūsu vērtība ir 18,836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Aprēķināt. Mūsu vērtība ir 26,634 kohm

Kā to pārbaudīt:

Filtram jābūt nemainīgam frekvencēm zem robežvērtības. To var pārbaudīt, izmantojot maiņstrāvas slaucīšanu. Jūs to varat simulēt PSpice vai CircuitLab, vai pārbaudīt fizisko ierīci vai abus!

Osciloskopa attēls parāda filtra reakciju pie 100 Hz, 150 Hz un 155 Hz. Mūsu fiziskajai ķēdei bija pārtraukums tuvāk 155 Hz, ko parāda -3 dB attiecība.

5. darbība. Augstas caurlaides filtrs

Kāpēc mums tas ir vajadzīgs:

Augstās caurlaides filtru izmanto, lai netiktu ierakstītas frekvences, kas ir zemākas par noteiktu robežvērtību, ļaujot izvadīt tīru signālu. Izslēgšanas frekvence ir izvēlēta kā 0,5 Hz (standarta vērtība EKG monitoriem).

Kā to izveidot:

Tālāk ir redzamas rezistora un kondensatora vērtības, kas vajadzīgas, lai to sasniegtu. Mūsu faktiskā izmantotā pretestība bija 318,2 kohmi.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • kas f = 0,5 Hz, un C = 1 uF
  • Aprēķināt R. Mūsu vērtība ir 318,310 kohmi

Kā to pārbaudīt:

Filtram jābūt nemainīgam frekvencēm virs robežvērtības. To var pārbaudīt, izmantojot maiņstrāvas slaucīšanu. Jūs to varat simulēt PSpice vai CircuitLab, vai pārbaudīt fizisko ierīci vai abus!

6. darbība. LabVIEW iestatīšana

Plūsmas diagrammā ir izklāstīta projekta LabVIEW daļas dizaina koncepcija, kas reģistrē signālu ar augstu paraugu ņemšanas ātrumu un parāda sirdsdarbības ātrumu (BPM) un EKG. Mūsu LabView shēmā ir šādas sastāvdaļas: DAQ palīgs, indeksu masīvs, aritmētiskie operatori, pīķa noteikšana, skaitliskie indikatori, viļņu formas grafiks, laika izmaiņas, maksimālās/min identifikators un skaitļu konstantes. DAQ palīgs ir iestatīts, lai ņemtu nepārtrauktus paraugus ar frekvenci 1 kHz, un paraugu skaits ir mainīts no 3000 līdz 5000 paraugu maksimuma noteikšanai un signāla skaidrībai.

Novietojiet peles kursoru virs dažādām shēmas diagrammas sastāvdaļām, lai izlasītu, kur LabVIEW tos atrast!

7. darbība: datu vākšana

Tagad, kad ķēde ir samontēta, var apkopot datus, lai redzētu, vai tā darbojas! Nosūtiet simulētu EKG caur ķēdi ar frekvenci 1 Hz. Rezultātam vajadzētu būt tīram EKG signālam, kur var skaidri redzēt QRS kompleksu, P vilni un T vilni. Sirdsdarbības ātrumam jābūt arī 60 sitieniem minūtē (sitieni minūtē). Lai turpinātu pārbaudīt ķēdi un LabVIEW iestatījumus, mainiet frekvenci uz 1,5 Hz un 0,5 Hz. Sirdsdarbības ātrumam vajadzētu mainīties attiecīgi līdz 90 un 30 sitieniem minūtē.

Lai lēnāks sirdsdarbības ātrums tiktu precīzi parādīts, jums, iespējams, būs jāpielāgo DAQ iestatījumi, lai diagrammā parādītu vairāk viļņu. To var izdarīt, palielinot paraugu skaitu.

Ja izvēlaties pārbaudīt ierīci uz cilvēka, pārliecinieties, vai strāvas padeve, ko izmantojat, lai pastiprinātu strāvu, ierobežo 0,015 mA strāvu! Ir vairākas pieņemamas svina konfigurācijas, bet mēs izvēlējāmies novietot pozitīvo elektrodu uz kreisās potītes, negatīvo elektrodu uz labās plaukstas locītavas un zemējuma elektrodu labajā potītē, kā redzams pievienotajā attēlā.

Izmantojot dažas pamata shēmas un mūsu zināšanas par cilvēka sirdi, mēs esam parādījuši, kā izveidot jautru un noderīgu ierīci. Mēs ceram, ka jums patika mūsu apmācība!