Obvod elektrokardiogramu (EKG): 7 kroků

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

Poznámka: Toto není lékařské zařízení. 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.

Jsme dva studenti biomedicínského inženýrství a poté, co jsme absolvovali první třídu obvodů, jsme byli docela nadšení a rozhodli jsme se použít základy, které jsme se naučili dělat něco užitečného: zobrazit EKG a číst srdeční frekvenci. To by byl dosud nejsložitější okruh, který jsme postavili!

Nějaké pozadí na EKG:

K měření a zaznamenávání biologické aktivity v lidském těle se používá mnoho elektrických zařízení. Jedním z takových zařízení je elektrokardiogram, který měří elektrické signály produkované srdcem. Tyto signály poskytují objektivní informace o stavbě a funkci srdce. EKG bylo poprvé vyvinuto v roce 1887 a poskytlo lékařům nový způsob diagnostiky srdečních komplikací. EKG mohou detekovat srdeční rytmus, srdeční frekvenci, srdeční infarkty, nedostatečné zásobení srdce krví a kyslíkem a strukturální abnormality. Pomocí jednoduchého návrhu obvodu lze vytvořit EKG, které by mohlo sledovat všechny tyto věci.

Krok 1: Materiály

Budování okruhu

Základní materiály potřebné ke stavbě obvodu jsou uvedeny na obrázcích. Obsahují:

• Prkénko

• Operační zesilovače

  • Všechny operační zesilovače použité v tomto obvodu jsou LM741.
  • Další informace naleznete v technickém listu:
• Rezistory
• Kondenzátory
• Dráty

• Nalepovací elektrody

  Ty jsou potřeba pouze v případě, že se rozhodnete okruh vyzkoušet na skutečné osobě

Použitý software zahrnuje:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab nebo PSpice pro simulace ke kontrole hodnot

• Vynikat

  To je velmi doporučeno v případě, že potřebujete změnit jakékoli vlastnosti vašeho obvodu. Možná si také budete muset pohrát s čísly, dokud nenajdete hodnoty odporu a kondenzátoru, které jsou snadno dostupné. Výpočty pera a papíru odradily! Pro představu jsme připojili naše tabulkové výpočty

Testování obvodu

Budete také potřebovat nějaké větší elektronické vybavení:

• Zdroj stejnosměrného proudu
• Deska DAQ pro propojení obvodu s LabVIEW
• Funkční generátor pro testování obvodu
• Osciloskop k testování obvodu

Krok 2: Zesilovač instrumentace

Proč to potřebujeme:

Postavíme přístrojový zesilovač, abychom zesílili malou amplitudu měřenou z těla. Použití dvou zesilovačů v našem prvním stupni nám umožní zrušit hluk vytvářený tělem (který bude stejný na obou elektrodách). Použijeme dvě fáze přibližně stejného zisku - to chrání uživatele, pokud je systém připojen k osobě tím, že zabrání tomu, aby se veškerý zisk odehrál na jednom místě. Protože normální amplituda signálu EKG je mezi 0,1 a 5 mV, chceme, aby zisk zesilovače přístrojů byl asi 100. Přijatelná tolerance zisku je 10%.

Jak ho postavit:

Pomocí těchto specifikací a rovnic uvedených v tabulce (přiložené obrázky) jsme zjistili, že naše hodnoty odporu jsou R1 = 1,8 kiloOhmů, R2 = 8,2 kiloOhmů, R3 = 1,5 kiloOhmů a R4 = 15 kiloOhmů. K1 je zisk prvního stupně (OA1 a OA2) a K2 je zisk druhého stupně (OA3). K odstranění šumu se na napájecích zdrojích operačních zesilovačů používají kapacitní obtokové kondenzátory.

Jak to otestovat:

Jakýkoli signál, který je přiváděn do přístrojového zesilovače, by měl být zesílen o 100. Při použití dB = 20log (Vout/Vin) to znamená poměr 40 dB. Můžete to simulovat v PSpice nebo CircuitLab, nebo vyzkoušet fyzické zařízení nebo obojí!

Přiložený obrázek osciloskopu ukazuje zisk 1000. Pro skutečné EKG je to příliš vysoké!

Krok 3: Zářezový filtr

Proč to potřebujeme:

K odstranění šumu 60 Hz přítomného ve všech napájecích zdrojích v USA použijeme zářezový filtr.

Jak ho postavit:

Nastavíme faktor kvality Q na 8, což zajistí přijatelný filtrační výkon při zachování hodnot komponent v proveditelném rozsahu. Také jsme nastavili hodnotu kondenzátoru na 0,1 μF, aby výpočty ovlivnily pouze odpory. Vypočtené a použité hodnoty odporu lze vidět v tabulce (na obrázcích) nebo níže

• Q = w/B

  nastavit Q na 8 (nebo si vybrat vlastní podle vlastní potřeby)

• w = 2*pi*f

  použijte f = 60 Hz

• C

  nastavit na 0,1 uF (nebo si vybrat vlastní hodnotu z dostupných kondenzátorů)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Vypočítat. Naše hodnota je 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Vypočítat. Naše hodnota je 424,4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Vypočítat. Naše hodnota je 1,65 kohm

Jak to otestovat:

Zářezový filtr by měl předávat všechny frekvence beze změny kromě těch kolem 60 Hz. To lze zkontrolovat zametáním AC. Za dobrý je považován filtr se ziskem -20 dB při 60 Hz. Můžete to simulovat v PSpice nebo CircuitLab, nebo vyzkoušet fyzické zařízení nebo obojí!

Tento druh zářezového filtru může generovat dobrý zářez v simulovaném střídání AC, ale fyzický test ukázal, že naše původní hodnoty generovaly zářez na nižší frekvenci, než bylo zamýšleno. Abychom to napravili, narazili jsme na R2 asi o 25 kohmů.

Obrázek z osciloskopu ukazuje, že filtr výrazně snižuje velikost vstupního signálu při 60 Hz. Graf ukazuje střídání AC pro vysoce kvalitní zářezový filtr.

Krok 4: Nízkoprůchodový filtr

Proč to potřebujeme:

Poslední fází zařízení je aktivní dolní propust. Signál EKG je vytvořen z mnoha různých průběhů, z nichž každý má svou vlastní frekvenci. To vše chceme zachytit bez jakéhokoli vysokofrekvenčního šumu. Je vybrána standardní mezní frekvence pro monitory EKG 150 Hz. (Vyšší mezní hodnoty jsou někdy voleny ke sledování konkrétních srdečních problémů, ale pro náš projekt použijeme normální mezní hodnotu.)

Pokud byste chtěli vytvořit jednodušší obvod, můžete také použít pasivní dolní propust. To nebude zahrnovat operační zesilovač a bude se skládat pouze z odporu v sérii s kondenzátorem. Výstupní napětí bude měřeno přes kondenzátor.

Jak ho postavit:

Navrhneme jej jako Butterworthův filtr druhého řádu, který má koeficienty aab rovné 1,414214 a 1. Nastavením zesílení na 1 se operační zesilovač stane sledovatelem napětí. Zvolené rovnice a hodnoty jsou uvedeny v tabulce (na obrázcích) a níže.

• w = 2*pi*f

  nastavit f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Vypočítat. Naše hodnota je 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Vypočítat. Naše hodnota je 0,033 uF

• R1 = 2/(w*(aC2+sqrt (a^2*C2^2-4b*C1*C2)))

  Vypočítat. Naše hodnota je 18 836 kohmů

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Vypočítat. Naše hodnota je 26 634 kohmů

Jak to otestovat:

Filtr by měl předávat frekvence pod mezní hodnotou beze změny. To lze vyzkoušet pomocí AC rozmítání. Můžete to simulovat v PSpice nebo CircuitLab, nebo vyzkoušet fyzické zařízení nebo obojí!

Obrázek z osciloskopu ukazuje odezvu filtru při 100 Hz, 150 Hz a 155 Hz. Náš fyzický obvod měl mezní hodnotu blíže 155 Hz, což ukazuje poměr -3 dB.

Krok 5: High-pass filtr

Proč to potřebujeme:

Filtr horní propusti se používá k tomu, aby nebyly zaznamenány frekvence pod určitou mezní hodnotou, což umožňuje průchod čistého signálu. Mezní frekvence je zvolena 0,5 Hz (standardní hodnota pro monitory EKG).

Jak ho postavit:

Hodnoty odporu a kondenzátoru potřebné k dosažení tohoto cíle jsou uvedeny níže. Náš skutečný použitý odpor byl 318,2 kohm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • nastavte f = 0,5 Hz a C = 1 uF
  • Vypočítejte R. Naše hodnota je 318,310 kohm

Jak to otestovat:

Filtr by měl předávat frekvence nad mezní hodnotou beze změny. To lze vyzkoušet pomocí AC rozmítání. Můžete to simulovat v PSpice nebo CircuitLab, nebo vyzkoušet fyzické zařízení nebo obojí!

Krok 6: Nastavení LabVIEW

Vývojový diagram popisuje koncepci části projektu LabVIEW, která zaznamenává signál vysokou vzorkovací frekvencí a zobrazuje srdeční frekvenci (BPM) a EKG. Náš obvod LabView obsahuje následující komponenty: DAQ asistent, indexové pole, aritmetické operátory, detekce špiček, číselné indikátory, graf průběhu, změna času, identifikátor max/min a číselné konstanty. Asistent DAQ je nastaven tak, aby odebíral souvislé vzorky rychlostí 1 kHz, přičemž počet vzorků se změnil mezi 3 000 a 5 000 vzorky pro účely detekce špiček a jasnosti signálu.

Najeďte myší na různé součásti ve schématu zapojení a přečtěte si, kde v LabVIEW je najdete!

Krok 7: Shromažďování dat

Nyní, když byl obvod sestaven, je možné shromažďovat data a zjistit, zda funguje! Odešlete simulované EKG obvodem při 1 Hz. Výsledkem by měl být čistý signál EKG, kde je jasně vidět komplex QRS, vlna P a vlna T. Tepová frekvence by také měla ukazovat 60 tepů za minutu (tepů za minutu). Chcete -li dále testovat obvod a nastavení LabVIEW, změňte frekvenci na 1,5 Hz a 0,5 Hz. Tepová frekvence by se měla změnit na 90 tepů za minutu a 30 tepů za minutu.

Aby se pomalejší srdeční frekvence přesně zobrazovala, bude možná nutné upravit nastavení DAQ tak, aby zobrazovalo více vln na graf. Toho lze dosáhnout zvýšením počtu vzorků.

Pokud se rozhodnete testovat zařízení na lidech, ujistěte se, že napájecí zdroj, který používáte pro operační zesilovače, omezuje proud na 0,015 mA! Existuje několik přijatelných konfigurací elektrod, ale rozhodli jsme se umístit kladnou elektrodu na levý kotník, zápornou elektrodu na pravé zápěstí a uzemňovací elektrodu na pravý kotník, jak je vidět na přiloženém obrázku.

Pomocí několika základních konceptů obvodů a našich znalostí o lidském srdci jsme vám ukázali, jak vytvořit zábavné a užitečné zařízení. Doufáme, že se vám náš návod líbil!