Elektrokardiogramos (EKG) grandinė: 7 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:49

Pastaba: tai nėra medicinos prietaisas. Tai tik švietimo tikslais, naudojant imituotus signalus. Jei naudojate šią grandinę tikriems EKG matavimams, įsitikinkite, kad grandinėje ir grandinės ir prietaiso jungtyse naudojami tinkami izoliacijos būdai.

Mes esame du biomedicinos inžinerijos studentai ir, baigę pirmąją grandinių klasę, buvome labai susijaudinę ir nusprendėme panaudoti išmoktus pagrindus, kad padarytume kažką naudingo: rodyti EKG ir skaityti širdies ritmą. Tai būtų sudėtingiausia mūsų sukurta grandinė!

Keletas EKG fono:

Daugelis elektrinių prietaisų naudojami biologiniam aktyvumui žmogaus organizme matuoti ir registruoti. Vienas iš tokių prietaisų yra elektrokardiograma, kuri matuoja širdies skleidžiamus elektrinius signalus. Šie signalai suteikia objektyvią informaciją apie širdies struktūrą ir funkciją. EKG pirmą kartą buvo sukurta 1887 m. Ir suteikė gydytojams naują būdą diagnozuoti širdies komplikacijas. EKG gali nustatyti širdies ritmą, širdies susitraukimų dažnį, širdies priepuolius, nepakankamą širdies aprūpinimą krauju ir deguonimi bei struktūrinius sutrikimus. Naudojant paprastą grandinės konstrukciją, galima atlikti EKG, kuri galėtų stebėti visus šiuos dalykus.

1 žingsnis: medžiagos

Grandinės kūrimas

Pagrindinės medžiagos, reikalingos grandinei sukurti, parodytos nuotraukose. Jie įtraukia:

• Bandomoji Lenta

• Operaciniai stiprintuvai

  • Visi šioje grandinėje naudojami stiprintuvai yra LM741.
  • Daugiau informacijos rasite duomenų lape:
• Rezistoriai
• Kondensatoriai
• Laidai

• Priklijuojami elektrodai

  Tai reikalinga tik tuo atveju, jei nuspręsite išbandyti grandinę su tikru asmeniu

Naudojama programinė įranga apima:

• LabVIEW 2016 m
• „CircuitLab“arba „PSpice“simuliacijoms vertėms patikrinti

• „Excel“

  Tai labai rekomenduojama, jei jums reikia pakeisti bet kokias grandinės charakteristikas. Jums taip pat gali tekti žaisti su skaičiais, kol rasite rezistorių ir kondensatorių vertes, kurios yra lengvai prieinamos. Šiam skaičiavimui nepatartina skaičiuoti rašikliu ir popieriumi! Pridėjome skaičiuoklės skaičiavimus, kad pateiktume idėją

Grandinės bandymas

Jums taip pat reikės didesnės elektroninės įrangos:

• DC maitinimo šaltinis
• DAQ plokštė, skirta grandinei sujungti su „LabVIEW“
• Funkcijų generatorius bandymo grandinei
• Osciloskopas bandymo grandinei

2 žingsnis: instrumentų stiprintuvas

Kodėl mums to reikia:

Mes sukursime prietaisų stiprintuvą, kad sustiprintume mažą amplitudę, išmatuotą nuo kūno. Naudojant du stiprintuvus pirmajame etape, bus galima panaikinti kūno sukeltą triukšmą (kuris bus vienodas abiejuose elektroduose). Mes naudosime du maždaug vienodo pelno etapus - tai apsaugo vartotoją, jei sistema yra prijungta prie žmogaus, neleidžiant visiems gauti naudos vienoje vietoje. Kadangi įprasta EKG signalo amplitudė yra nuo 0,1 iki 5 mV, norime, kad prietaisų stiprintuvo padidėjimas būtų apie 100. Priimtina stiprinimo tolerancija yra 10%.

Kaip jį sukurti:

Naudodamiesi šiomis specifikacijomis ir lentelėje pateiktomis lygtimis (pridėtose nuotraukose), nustatėme, kad mūsų rezistorių vertės yra R1 = 1,8 kiloOhm, R2 = 8,2 kiloOhm, R3 = 1,5 kiloOhm ir R4 = 15 kiloOhm. K1 yra pirmojo etapo padidėjimas (OA1 ir OA2), o K2 - antrojo etapo padidėjimas (OA3). Triukšmui pašalinti ant operacinių stiprintuvų maitinimo šaltinių naudojami vienodos talpos apėjimo kondensatoriai.

Kaip tai išbandyti:

Bet koks signalas, tiekiamas į prietaisų stiprintuvą, turi būti sustiprintas 100. Naudojant dB = 20log (Vout/Vin), tai reiškia 40 dB santykį. Galite tai imituoti „PSpice“ar „CircuitLab“arba išbandyti fizinį įrenginį arba abu!

Pridedamas osciloskopo vaizdas rodo 1000 padidėjimą. Tikrai EKG tai per didelė!

3 žingsnis: įpjovos filtras

Kodėl mums to reikia:

Mes naudosime išpjovos filtrą, kad pašalintume 60 Hz triukšmą, esantį visuose JAV maitinimo šaltiniuose.

Kaip jį sukurti:

Kokybės koeficientą Q nustatysime į 8, o tai užtikrins priimtiną filtravimo išvestį, išlaikant komponentų reikšmes įmanomame diapazone. Mes taip pat nustatėme kondensatoriaus vertę 0,1 μF, kad skaičiavimai paveiktų tik rezistorius. Apskaičiuotas ir naudojamas rezistorių vertes galima pamatyti lentelėje (nuotraukose) arba žemiau

• Q = w/B

  nustatykite Q iki 8 (arba pasirinkite savo, atsižvelgdami į savo poreikius)

• w = 2*pi*f

  naudoti f = 60 Hz

• C

  nustatyti į 0,1 uF (arba pasirinkti savo vertę iš turimų kondensatorių)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Apskaičiuoti. Mūsų vertė yra 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Apskaičiuoti. Mūsų vertė yra 424,4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Apskaičiuoti. Mūsų vertė yra 1,65 kohm

Kaip tai išbandyti:

Įpjovos filtras turi perduoti visus dažnius nepakitusius, išskyrus tuos, kurie yra maždaug 60 Hz. Tai galima patikrinti naudojant kintamosios srovės siurblį. Filtras, kurio padidėjimas -20 dB esant 60 Hz dažniui, laikomas geru. Galite tai imituoti „PSpice“ar „CircuitLab“arba išbandyti fizinį įrenginį arba abu!

Šis įpjovos filtras gali sukurti gerą išpjovą imituotame kintamosios srovės sraute, tačiau fizinis bandymas parodė, kad mūsų pradinės vertės sukėlė įpjovą mažesniu dažniu nei numatyta. Norėdami tai išspręsti, mes padidinome R2 maždaug 25 kohm.

Osciloskopo vaizdas rodo, kad filtras labai sumažina įėjimo signalo dydį esant 60 Hz dažniui. Grafike pavaizduotas aukštos kokybės įpjovos filtro kintamosios srovės valymas.

4 žingsnis: žemo dažnio filtras

Kodėl mums to reikia:

Paskutinis įrenginio etapas yra aktyvus žemo dažnio filtras. EKG signalas sudarytas iš daugybės skirtingų bangų formų, kurių kiekvienas turi savo dažnį. Mes norime visa tai užfiksuoti be jokio aukšto dažnio triukšmo. Pasirinktas standartinis 150 Hz EKG monitorių išjungimo dažnis. (Didesnės ribos kartais pasirenkamos tam tikroms širdies problemoms stebėti, tačiau mūsų projektui naudosime įprastą ribą.)

Jei norite sukurti paprastesnę grandinę, taip pat galite naudoti pasyvų žemo dažnio filtrą. Tai neapima operacinio stiprintuvo ir susideda tik iš nuoseklaus rezistoriaus su kondensatoriumi. Išėjimo įtampa bus matuojama per kondensatorių.

Kaip jį sukurti:

Mes jį suprojektuosime kaip antros eilės „Butterworth“filtrą, kurio koeficientai a ir b yra atitinkamai 1,414214 ir 1. Nustačius stiprinimą 1, operacinis stiprintuvas tampa įtampos sekėju. Pasirinktos lygtys ir vertės parodytos lentelėje (nuotraukose) ir žemiau.

• w = 2*pi*f

  nustatytas f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Apskaičiuoti. Mūsų vertė yra 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Apskaičiuoti. Mūsų vertė yra 0,033 uF

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

  Apskaičiuoti. Mūsų vertė yra 18,836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Apskaičiuoti. Mūsų vertė yra 26,634 kohm

Kaip tai išbandyti:

Filtras turi nekeisti dažnių žemiau ribinės vertės. Tai galima patikrinti naudojant kintamosios srovės šlavimo įrenginį. Galite tai imituoti „PSpice“ar „CircuitLab“arba išbandyti fizinį įrenginį arba abu!

Osciloskopo vaizdas rodo filtro atsaką esant 100 Hz, 150 Hz ir 155 Hz dažniui. Mūsų fizinės grandinės atotrūkis buvo arčiau 155 Hz, parodytas -3 dB santykiu.

5 žingsnis: aukšto dažnio filtras

Kodėl mums to reikia:

Aukšto dažnio filtras naudojamas tam, kad nebūtų įrašomi dažni, žemesni už tam tikrą ribinę vertę, o tai leidžia perduoti švarų signalą. Išjungimo dažnis pasirenkamas kaip 0,5 Hz (standartinė EKG monitorių vertė).

Kaip jį sukurti:

Toliau pateikiamos rezistoriaus ir kondensatoriaus vertės, reikalingos tam pasiekti. Mūsų faktinis pasipriešinimas buvo 318,2 kohm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • nustatyti f = 0,5 Hz, o C = 1 uF
  • Apskaičiuokite R. Mūsų vertė yra 318,310 kohm

Kaip tai išbandyti:

Filtras turi išlaikyti nepakitusius dažnius virš ribinės vertės. Tai galima patikrinti naudojant kintamosios srovės šlavimo įrenginį. Galite tai imituoti „PSpice“ar „CircuitLab“arba išbandyti fizinį įrenginį arba abu!

6 veiksmas: „LabVIEW“nustatymas

Blokinėje schemoje išdėstyta projekto „LabVIEW“dalies, kurioje signalas įrašomas dideliu mėginių ėmimo dažniu, dizaino koncepcija ir rodomas širdies ritmas (BPM) bei EKG. Mūsų „LabView“grandinėje yra šie komponentai: DAQ asistentas, indeksų masyvas, aritmetiniai operatoriai, piko aptikimas, skaitiniai indikatoriai, bangos formos grafikas, laiko pokytis, maksimalios/minutės identifikatorius ir skaičių konstantos. Nustatytas DAQ asistentas, kuris ims nepertraukiamus 1 kHz dažnio mėginius, o mėginių skaičius pasikeis nuo 3 000 iki 5 000 mėginių, kad būtų galima aptikti pikas ir signalas aiškesnis.

Užveskite pelę virš skirtingų grandinės schemos komponentų ir perskaitykite, kur juos rasti „LabVIEW“!

7 veiksmas: duomenų rinkimas

Dabar, kai grandinė buvo surinkta, galima surinkti duomenis, kad pamatytumėte, ar ji veikia! Siųskite imituotą EKG per 1 Hz dažnio grandinę. Rezultatas turėtų būti švarus EKG signalas, kuriame būtų aiškiai matomas QRS kompleksas, P banga ir T banga. Širdies ritmas taip pat turėtų rodyti 60 dūžių per minutę (bpm). Norėdami toliau išbandyti grandinę ir „LabVIEW“sąranką, pakeiskite dažnį į 1,5 Hz ir 0,5 Hz. Širdies susitraukimų dažnis turėtų būti atitinkamai 90 ir 30 dūžių per minutę.

Norint, kad širdies ritmas būtų rodomas tiksliai, gali tekti pakoreguoti DAQ nustatymus, kad diagramoje būtų rodoma daugiau bangų. Tai galima padaryti padidinus mėginių skaičių.

Jei nuspręsite išbandyti prietaisą su žmogumi, įsitikinkite, kad maitinimo šaltinis, kurį naudojate stiprintuvams, riboja 0,015 mA srovę! Yra keletas priimtinų švino konfigūracijų, tačiau pasirinkome teigiamą elektrodą uždėti ant kairės kulkšnies, neigiamą - ant dešinio riešo, o įžeminimo elektrodą - ant dešinės kulkšnies, kaip parodyta paveikslėlyje.

Naudodamiesi kai kuriomis pagrindinėmis grandinių koncepcijomis ir savo žiniomis apie žmogaus širdį, parodėme, kaip sukurti įdomų ir naudingą įrenginį. Tikimės, kad jums patiko mūsų pamoka!