Elektrokardiogramový obvod: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Ahoj! Toto píší dva studenti, kteří v současné době studují biomedicínské inženýrství a navštěvují třídu obvodů. Vytvořili jsme EKG a jsme velmi rádi, že se o něj s vámi můžeme podělit.

Zásoby

Mezi základní zásoby, které budou pro tento projekt potřeba, patří:

- prkénko

- odpory

- kondenzátory

- operační zesilovače (LM741)

- elektrody

Budete také potřebovat uvedené elektronické vybavení:

- Zdroj stejnosměrného proudu

- Generátor funkcí

- Osciloskop

Krok 1: Diferenční zesilovač

Proč je to nutné?

Diferenční zesilovač se používá k zesílení signálu a ke snížení šumu, který může mezi elektrodami vznikat. Hluk se sníží odebráním rozdílu napětí z obou elektrod. Abychom určili potřebné hodnoty odporů, rozhodli jsme se, že chceme, aby zesilovač vytvořil zisk 1000.

Jak je postaven?

K dosažení tohoto cíle byla použita rovnice zisku pro diferenciální zesilovač, matematiku najdete na přiloženém obrázku. Při výpočtu bylo zjištěno, že hodnoty odporu by měly být 100Ω a 50kΩ. Protože jsme však neměli odpor 50 kΩ, použili jsme 47 kΩ. Nastavení diferenciálního zesilovače pro LTSpice i pro prkénko je vidět na přiložené fotografii. Diferenciální zesilovač vyžaduje propojovací desku, 1 x 100Ω odpor, 6 x 47 kΩ odpor, 3 operační zesilovače LM741 a spoustu propojovacích vodičů.

Jak to otestovat?

Při testování v LTSpice a na fyzickém zařízení se chcete ujistit, že produkuje zisk 1000. To se provádí pomocí rovnice zisku zisk = Vout/ Vin. Vout je vstup od vrcholu k vrcholu a Vin je od špičky k vrcholu. Například pro testování na generátoru funkcí bych do obvodu vložil 10 mV špička-špička, takže bych měl dostat výstup 10V.

Krok 2: Zářezový filtr

Proč je to nutné?

Pro odstranění šumu je vytvořen zářezový filtr. Protože většina budov má střídavý proud 60 Hz, který by v obvodu vytvářel šum, rozhodli jsme se vytvořit zářezový filtr, který bude tlumit signál na 60 Hz.

Jak to postavit?

Návrh filtru zářezu vychází z výše uvedeného obrázku. Rovnice pro výpočet hodnot pro odpory a kondenzátory jsou také uvedeny výše. Rozhodli jsme se použít frekvenci 60 Hz a 0,1 uF kondenzátory, protože to je hodnota kondenzátoru, kterou jsme měli. Při výpočtu rovnic jsme zjistili, že R1 a R2 se rovnají 37, 549 kΩ a hodnota pro R3 je 9021,19 Ω. Abychom mohli vytvořit tyto hodnoty na naší desce s obvody, použili jsme 39 kΩ pro R1 a R2 a 9,1 kΩ pro R3. Celkově vyžaduje zářezový filtr 1 x 9,1 kΩ odpor, 2 x 39 kΩ odpor, 3 x 0,1 uF kondenzátor, 1 operační zesilovač LM741 a spoustu propojovacích vodičů. Schéma pro nastavení zářezového filtru pro LTSpice i pro prkénko na obrázku výše.

Jak to otestovat?

Funkčnost zářezového filtru lze testovat provedením rozmítání AC. Všechny frekvence by měly procházet filtrem kromě 60 Hz. To lze testovat jak na LTSpice, tak na fyzickém obvodu

Krok 3: Nízkoprůchodový filtr

Proč je to nutné?

Nízkoprůchodový filtr je zapotřebí ke snížení hluku z vašeho těla a místnosti, která nás obklopuje. Při rozhodování o mezní frekvenci pro dolní propust bylo důležité vzít v úvahu, že srdeční frekvence se vyskytuje od 1 Hz do 3 Hz a průběhy, které tvoří EKG, se blíží 1 až 50 Hz.

Jak to postavit?

Rozhodli jsme se nastavit mezní frekvenci 60 Hz, abychom mohli stále získat všechny užitečné signály, ale také vypnout nepotřebný signál. Při určování mezní frekvence bude 70 Hz, rozhodli jsme se vybrat hodnotu kondenzátoru 0,15 uF, protože je to ta, kterou jsme měli v naší sadě. Výpočet hodnoty kondenzátoru je vidět na obrázku. Výsledkem výpočtu byla hodnota odporu 17,638 kΩ. Rozhodli jsme se použít odpor 18 kΩ. Nízkopásmový filtr vyžaduje rezistor 2 x 18 kΩ, kondenzátor 2x0,15 uF, 1 operační zesilovač LM741 a spoustu propojovacích vodičů. Schéma dolní propusti pro LTSpice i fyzický obvod lze najít na obrázku.

Jak to otestovat?

Nízkopásmový filtr lze testovat pomocí rozmítání AC na LTSpice i fyzickém obvodu. Při spuštění rozmítání střídavého proudu byste měli vidět, že níže uvedené frekvence pro omezení jsou nezměněny, ale frekvence nad mezní hodnotou se začínají odfiltrovat.

Krok 4: Dokončete projekt

Po dokončení obvodu by to mělo vypadat jako na obrázku výše! Nyní jste připraveni připevnit elektrody k tělu a sledovat EKG! Spolu s osciloskopem lze na Arduinu zobrazit i EKG.