Obvod EKG: 7 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:24

EKG je test, který měří elektrickou aktivitu srdce zaznamenáváním srdečního rytmu a aktivity. Funguje tak, že odebírá a čte signály ze srdce pomocí vodičů připojených k elektrokardiografickému přístroji. Tento Instructable vám ukáže, jak vytvořit obvod, který zaznamenává, filtruje a zobrazuje bioelektrický signál srdce. 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 mezi obvodem a přístrojem používaly správné izolační techniky.

Tento obvod obsahuje tři různé stupně zapojené do série s programem LabView. Rezistory v přístrojovém zesilovači byly vypočteny se ziskem 975, aby bylo zajištěno, že malé signály ze srdce mohou být stále zachyceny obvodem. Zářezový filtr odstraňuje 60 Hz šum z elektrické zásuvky ve zdi. Nízkoprůchodový filtr zajišťuje odstranění vysokofrekvenčního šumu z obvodu pro lepší detekci signálu.

Před spuštěním tohoto Instructable by bylo užitečné se seznámit s operačním zesilovačem uA741 General Purpose. Různé piny v operačním zesilovači mají různé účely a obvod nebude fungovat, pokud jsou připojeny nesprávně. Nesprávné připojení pinů k prkénku je také snadný způsob, jak operační zesilovač smažit a znefunkčnit. Níže uvedený odkaz obsahuje schéma použité pro operační zesilovače v tomto pokynu.

Zdroj obrázku:

Krok 1: Sbírejte materiály

Materiály potřebné pro všechny 3 stupně filtru:

• Osciloskop
• Generátor funkcí
• Napájení (+15V, -15V)
• Nepájivá deska
• Různé banánové kabely a krokosvorky
• EKG elektrodové nálepky
• Různé propojovací vodiče

Přístrojový zesilovač:

• 3 operační zesilovače (uA741)

• Rezistory:

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

Zářezový filtr:

• 1 operační zesilovač (uA741)

• Rezistory:

  • 1,6 kΩ x 2
  • 417 kΩ

• Kondenzátory:

  • 100 nF x 2
  • 200 nF

Dolní propust:

• 1 operační zesilovač (uA741)

• Rezistory:

  • 23,8 kΩ
  • 43 kΩ

• Kondenzátory:

  • 22 nF
  • 47 nF

Krok 2: Sestavte přístrojový zesilovač

Biologické signály často vydávají pouze napětí mezi 0,2 a 2 mV [2]. Tato napětí jsou příliš malá na to, aby je bylo možné analyzovat na osciloskopu, takže jsme potřebovali postavit zesilovač.

Poté, co je váš obvod sestaven, otestujte, zda funguje správně měřením napětí na Vout (zobrazeno jako uzel 2 na obrázku výše). Funkční generátor jsme použili k odeslání sinusové vlny se vstupním amplitudovým napětím 20 mV do našeho přístrojového zesilovače. Cokoli příliš daleko nad tímto vám neposkytne výsledky, které hledáte, protože operační zesilovače dostávaly pouze určité množství výkonu -15 a +15 V. Porovnejte výstup funkčního generátoru s výstupem vašeho přístrojového zesilovače a podívejte se na zisk blízký 1000 V. (Vout/Vin by měl být velmi blízko 1000).

Tip pro řešení potíží: Zkontrolujte, zda jsou všechny odpory v rozsahu kΩ.

[2] „Kondicionování signálu vysoce výkonného elektrokardiogramu (EKG) | Vzdělávání | Analogová zařízení. " [Online]. K dispozici: https://www.analog.com/en/education/education-library/articles/high-perf-electrocardiogram-signal-conditioning.html. [Přístup: 10. prosince 2017].]

Krok 3: Vytvořte filtr Notch

Náš zářezový filtr byl navržen tak, aby odfiltroval frekvenci 60 Hz. Chceme odfiltrovat 60 Hz z našeho signálu, protože to je frekvence střídavého proudu nalezeného v elektrických zásuvkách.

Při testování zářezového filtru změřte poměr špička-špička mezi vstupními a výstupními grafy. Při 60 Hz by měl být poměr -20 dB nebo lepší. Důvodem je, že při -20 dB je výstupní napětí v podstatě 0V, což znamená, že jste úspěšně odfiltrovali signál při 60 Hz! Otestujte také frekvence kolem 60 Hz, abyste se ujistili, že žádné jiné frekvence nejsou náhodně odfiltrovány.

Tip pro řešení potíží: Pokud nemůžete dosáhnout přesně -20 dB při 60 Hz, vyberte jeden odpor a mírně jej změňte, dokud nedosáhnete požadovaných výsledků. Museli jsme hrát s hodnotou R2, dokud jsme nedosáhli požadovaných výsledků.

Krok 4: Vytvořte nízkoprůchodový filtr

Náš dolní propust byl navržen s mezní frekvencí 150 Hz. Toto omezení jsme vybrali, protože nejširší diagnostický rozsah pro EKG je 0,05 Hz - 150 Hz, za předpokladu nehybného a nízkošumového prostředí [3]. Nízkoprůchodový filtr je schopen se zbavit vysokofrekvenčního šumu pocházejícího ze svalů nebo jiných částí těla [4].

Chcete -li otestovat tento obvod, abyste se ujistili, že funguje správně, změřte Vout (zobrazeno jako uzel 1 ve schématu zapojení). Při 150 Hz by měla být amplituda výstupního signálu 0,7násobkem amplitudy vstupního signálu. Použili jsme vstupní signál 1 V, abychom mohli snadno vidět, že náš výstup by měl být 0,7 při 150 Hz.

Tipy pro řešení potíží: pokud je vaše mezní frekvence v rozmezí několika Hz až 150 Hz, váš obvod by měl stále fungovat. Naše mezní hodnota byla 153 Hz. Rozsah biologických signálů bude v těle trochu kolísat, takže pokud nejste mimo více než několik Hz, váš obvod by měl stále fungovat.

[3] “Filtry EKG | MEDTEQ.” [Online]. K dispozici: https://www.medteq.info/med/ECGFilters. [Přístup: 10. prosince 2017].

[4] K. L. Venkatachalam, J. E. Herbrandson a S. J. Asirvatham, „Signals and Signal Processing for the Electrophysiologist: Part I: Electrogram Acquisition,“Circ. Arytmie Electrophysiol., Sv. 4, č. 6, s. 965–973, prosinec 2011.

Krok 5: Vytvořte program LabView

[5] „Projekt BME 305 Design Lab“(podzim 2017).

Tento blokový diagram labview je navržen tak, aby analyzoval signál procházející programem, detekoval vrcholy EKG, sbíral časový rozdíl mezi píky a matematicky vypočítal BPM. Rovněž vydává graf křivky EKG.

Krok 6: Propojte všechny tři fáze

Připojte všechny tři obvody do série připojením výstupu zesilovače instrumentace ke vstupu vrubového filtru a výstupu zářezového filtru na vstup dolního propusti. Připojte výstup dolní propusti k DAQ asistentovi a připojte DAQ asistenta k počítači. Při zapojování obvodů dohromady zajistěte, aby byly připojeny výkonové lišty pro každý nepájivý panel a zemnící lišty byly připojeny ke stejné zemnicí svorce.

V přístrojovém zesilovači musí být druhý operační zesilovač neuzemněn, aby se dva elektrodové přívody, které jsou připojeny k testovanému subjektu, mohly každý připojit k jinému operačnímu zesilovači v prvním stupni tohoto filtru.

Krok 7: Získejte signály od subjektu testovaného na lidech

Jedna elektrodová nálepka by měla být umístěna na každé zápěstí a jedna na kotník kvůli zemi. Pomocí aligátorových svorek připojte dvě zápěstní elektrody ke vstupům zesilovače instrumentace a kotníku k zemi. Až budete připraveni, klikněte na „spustit“v programu LabView a na obrazovce uvidíte svůj srdeční tep a EKG!