Vytvořte si vlastní elektrokardiogram (EKG): 6 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

OZNÁMENÍ:

Nejedná se o zdravotnický prostředek. Toto je pouze pro vzdělávací účely pomocí simulovaných signálů. Pokud používáte tento obvod pro skutečná měření EKG, zajistěte, aby obvod a připojení obvodu k přístroji využívaly energii baterie a další správné izolační techniky.

[Obrázek převzat z

Krok 1: Poznejte své věci

Elektrokardiogram (EKG) je důležitým nástrojem, který lékaři používají ke sledování elektrické aktivity srdce. Je užitečné zachytit vše od abnormálních srdečních rytmů po diagnostiku selhání tepla. Dodržováním tohoto Instructable budete moci sestavit zařízení, které zobrazuje elektrokardiogram osoby s použitím pouze základních dovedností pro prkénko a obecné vybavení laboratorní elektroniky. Jakmile budete mít dobrý výstup signálu, můžete použít stejný signál k výpočtu tepové frekvence nebo jiné zajímavé metriky pomocí mikrokontroléru.

-

Pokud nevíte, co je to EKG, je to jednoduše záznam srdeční činnosti. Vzhledem k elektrické povaze kontrakcí srdce lze zaznamenat změnu napětí umístěním elektrod na kůži a zpracováním signálu. Děj těchto napětí v čase se nazývá elektrokardiogram (zkráceně EKG). EKG se obvykle používají k diagnostice různých forem srdečního selhání nebo k pasivnímu sledování stresu pacienta. Zdravé EKG má specifické rysy, které jsou mezi lidmi univerzální. (To zahrnuje vlnu P, vlnu Q, vlnu R, vlnu S, vlnu T a komplex QRS.) Poskytl jsem zjednodušený diagram EKG s odpovídající reakcí srdce.

-

Všimněte si, že každá elektrická událost, ke které dochází v srdečních nervech, odpovídá fyzické události, ke které dochází následně ve svalové tkáni, a zatímco jedna část srdce se smršťuje, ostatní části se uvolňují. Tímto způsobem je načasování elektrických signálů v srdci velmi důležité, což dělá z EKG velmi účinný nástroj pro měření zdraví srdce.

-

Abychom zaznamenali skutečné EKG, vstupuje do hry mnoho logistických problémů, jako je velikost signálu, množství hluku vycházejícího ze zbytku těla a množství hluku pocházejícího z prostředí. Abychom to kompenzovali, navrhujeme obvod, který bude složen ze 3 částí: diferenciální zesilovač pro zvětšení velikosti našeho signálu, nízkoprůchodový filtr pro odstranění vysokofrekvenčních signálů a zářezový filtr pro odstranění šumu 60 Hz, který je vždy přítomen v budovách napájených střídavým proudem. Níže vám podrobně popíšu sledování těchto kroků.

[Obrázek převzat z

Krok 2: Shromážděte své zásoby

Pro tento projekt budete potřebovat:

- 1 velké prkénko (2 a více bude ale hezčí)

- 5 operačních zesilovačů pro všeobecné použití

(Použil jsem UA741 s +-15 V, jen se ujistěte, že ty, které si vyberete, zvládnou 15 voltů, jinak budete muset upravit hodnoty pasivních komponent a budete se muset spokojit s menším zesílením)

Rezistory

o 2x 165 ohmů

o 3x 1k ohm

o 2x 15k ohm

o 2x 33k ohm

o 1x 42k ohm

o 2x 60k ohm

Kondenzátory

o 2x 22nF

o 2x 1μF

o 1x 2Μf

- Spousta nebo propojovací vodiče

- Zdroj stejnosměrného napětí schopný poskytovat +-15 V

- Generátor funkcí a osciloskop (hlavně pro řešení problémů)

- Nejméně tři lepkavé elektrody, pokud plánujete záznam skutečného EKG

- Dost kabelů na připojení všech těch nesmyslů

- Pevné porozumění obvodům, operačním zesilovačům a zkušenostem s breadboardingem.

Pokud jste právě dostali k narozeninám prkénko a chcete s ním zkusit udělat něco skvělého, proveďte alespoň pár jednodušších sestavení, než to vyzkoušíte.

-

Krok 3: Sestavte diferenciální zesilovač

Diferenční zesilovač zesílí náš zaznamenaný signál na použitelnou úroveň, která se má zobrazit na dalekohledu nebo obrazovce. Tento návrh obvodu vezme rozdíl napětí ze dvou vstupních elektrod a zesílí ho. To se provádí za účelem snížení hluku, protože bude odstraněn běžný šum mezi elektrodami. Signál EKG se bude lišit v amplitudě v závislosti na umístění záznamových elektrod a jednotlivce, ale obvykle se pohybuje v řádu několika milivoltů při záznamu ze zápěstí. (I když to není pro toto nastavení nutné, amplitudu signálu lze zvýšit umístěním elektrod na hrudník, ale kompromisem je hluk z pohybu plic.)

-

Zahrnul jsem schéma nastavení. Obvod na obrázku by měl zesílit váš signál ~ 1000krát. Možná to budete muset upravit v závislosti na typu operačního zesilovače, který jste se rozhodli použít. Rychlý způsob, jak to upravit, je změna hodnoty R1. Snížením hodnoty R1 na polovinu zdvojnásobíte výstupní zisk a naopak.

-

Předpokládám, že většina z vás může tento obvod přeložit na prkénko, přesto jsem vložil schéma nastavení prkénka pro zefektivnění procesu a doufejme, že zkrátíte dobu řešení potíží. Pro vaše pohodlí jsem také zahrnoval obrázek pinoutu UA741 (nebo LM741). (pro vaše účely nebudete potřebovat piny 1, 5 nebo 8) Piny V + a V- na operačním zesilovači budou připojeny k vašemu napájení +15 V a -15 V. -15V není totéž jako uzemnění! Kondenzátory na mém prkénku můžete ignorovat. Jsou to obtokové kondenzátory určené k odstranění střídavého šumu, ale zpětně to nestálo za námahu.

-

Doporučuji otestovat každou fázi, když ji dokončíte, abyste mohli řešit problémy. Jak ukazuje obvod, můžete připojit jeden ze vstupů k zemi a druhý k malému stejnosměrnému zdroji a zkontrolovat zesílení. (nezapomeňte zadat <15 mV, jinak nasytíte operační zesilovače). Pokud potřebujete snížit svůj zisk pro testování, nepotíte se, cokoli nad 500násobným ziskem bude pro naše účely bohatě stačit. Navíc, pokud jste svůj obvod postavili tak, aby měl zisk 1000 a ukazuje pouze zisk 800, není to konec světa, přesné číslo není kritické.

-

Krok 4: Vytvořte filtr Notch

Nyní, když můžeme zesílit náš signál, pojďme se podívat na jeho vyčištění. Pokud byste právě teď připojili elektrody k našemu obvodu, pravděpodobně by to mělo tunu 60 Hz šumu. To proto, že většina budov je zapojena střídavým proudem 60 Hz, což způsobuje nevyhnutelně velký šumový signál. Abychom to napravili, postavíme zářezový filtr 60 Hz. Zářezový filtr je navržen tak, aby zeslabil velmi specifické frekvence a ponechal ostatní frekvence nedotčené; ideální pro odstranění šumu 60 Hz.

-

Stejně jako dříve jsem zahrnoval obrázek schématu obvodu, nastavení prkénka a vlastního obvodu. Je třeba poznamenat, že i když je zářezový filtr relativně snadnou fází, trvalo mi nejdéle, než jsem začal pracovat. Můj vstup byl dobře utlumen, ale na 63 Hz místo na 60 Hz, což to nepřeruší. Pokud narazíte na stejný problém, doporučuji změnit hodnotu R14. (Zvýšení odporu R14 sníží vaši frekvenci útlumu a naopak). Pokud máte proměnný odporový box, použijte jej k výměně R14, poté si pohrajte s hodnotami odporu, abyste zjistili, co funguje nejlépe, protože bude citlivý na změny v řádu jednoho ohmu. Skončil jsem s 175 ohmy R14, ale teoreticky to funguje nejlépe, aby odpovídalo R12.

-

Tuto fázi můžete znovu otestovat pomocí generátoru funkcí pro vstup 60 Hz sinusové vlny a zaznamenání vašeho výstupu na osciloskop. Váš výstup by měl být asi -20 dB nebo 10% amplitudy vstupu. Jak jsem již řekl, můžete optimalizovat blízké frekvence.

-

Krok 5: Vytvořte dolní propust

Jak již bylo zmíněno dříve, dalším důležitým faktorem je snížení hluku z vašeho těla a čehokoli jiného, co ruší místnost, ve které se nacházíte. Nízkoprůchodový filtr to dokáže dobře, protože pokud jde o signály, váš srdeční tep je docela pomalý. Naším cílem s low-pass filtrem je eliminovat všechny signály, které obsahují frekvence vyšší než vaše EKG. K tomu musíme určit „mezní frekvenci“. V našem případě vše nad touto frekvencí chceme eliminovat a vše pod touto frekvencí chceme zachovat. Zatímco srdeční tep probíhá v řádu 1 až 3 Hertzů, jednotlivé průběhy, které tvoří naše EKG, se skládají z mnohem vyšších frekvencí; blízko 1 až 50 Hertzů. Z tohoto důvodu jsem zvolil mezní frekvenci 80 Hz. Je dostatečně vysoký, aby udržel všechny užitečné komponenty v signálu, ale stále potlačuje hluk z HAM rádia, které máte ve vedlejší místnosti.

-

Nemám žádné šalvějové rady ohledně nízkoprůchodového filtru, ve srovnání s ostatními fázemi je to velmi jednoduché. Podobně jako u zesilovače si nedělejte starosti s přesným přerušením při 80 Hz; to není zásadní a realisticky se to nestane. Přesto byste měli zkontrolovat jeho výstup pomocí generátoru funkcí. Obecně platí, že sinusová vlna by měla procházet filtrem nedotčená při 10 Hz a měla by být zkrácena na polovinu o 130 Hz.

-

Krok 6: Zapojte to

Pokud jste se dostali tak daleko, gratulujeme! Máte všechny součásti EKG. Vše, co musíte udělat, je spojit je dohromady, plácnout na elektrody a připojit výstup k osciloskopu, abyste viděli své EKG!

-

V případě, že si nejste jisti, jak nasadit elektrody, doporučuji nalepit si vstupní elektrody na zápěstí (na každé zápěstí jednu) a k noze připojit uzemňovací elektrodu (obrázek může pomoci.) Připomínáme, že každá vstupní elektroda by měla jít pozitivní vstup na operační zesilovače v zesilovači. (Je uzemněn pouze ve schématu zapojení pro účely simulace)

-

Jakmile jste připojeni, připojte výstup nízkoprůchodového filtru k osciloskopu a buďte na sebe hrdí! Nechte všechny své děti přijít nasadit elektrody a podívat se na jejich tlukot srdce. Sakra, přimějte své sousedy, aby to vyzkoušeli. Pokud se cítíte extra motivovaní, připojte výstup k mikrokontroléru pro výpočet srdeční frekvence z jednoho. (Pravděpodobně budete chtít snížit zesílení, než to uděláte, může to usmažit desku, kterou používáte). Bez ohledu na to blahopřejeme k sestavení a přejeme šťastné tvoření!

[Obrázek převzat z