Elektrokardiogrammi (EKG) Piiri: 7 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Huomautus: Tämä ei ole lääketieteellinen laite. Tämä on tarkoitettu vain opetustarkoituksiin käyttäen simuloituja signaaleja. Jos käytät tätä piiriä todellisiin EKG-mittauksiin, varmista, että piiri ja piirin ja laitteen väliset liitännät käyttävät oikeita eristystekniikoita.

Olemme kaksi biolääketieteen tekniikan opiskelijaa ja ensimmäisen piirikurssin jälkeen olimme varsin innoissamme ja päätimme käyttää oppimaamme perusasioita tekemään jotain hyödyllistä: näyttää EKG: n ja lukea sykkeen. Tämä olisi monimutkaisin piiri, jonka olemme rakentaneet!

Muutama tausta EKG: stä:

Monia sähkölaitteita käytetään ihmisen kehon biologisen aktiivisuuden mittaamiseen ja tallentamiseen. Yksi tällainen laite on elektrokardiogrammi, joka mittaa sydämen tuottamia sähköisiä signaaleja. Nämä signaalit antavat objektiivista tietoa sydämen rakenteesta ja toiminnasta. EKG kehitettiin ensimmäisen kerran vuonna 1887 ja se antoi lääkäreille uuden tavan diagnosoida sydämen komplikaatioita. EKG: t voivat havaita sydämen rytmin, sykkeen, sydänkohtaukset, riittämättömän veren ja hapen saannin sydämeen sekä rakenteellisia poikkeavuuksia. Yksinkertaisen piirisuunnittelun avulla voidaan tehdä EKG, joka voi seurata kaikkia näitä asioita.

Vaihe 1: Materiaalit

Piirin rakentaminen

Piirin rakentamiseen tarvittavat perusmateriaalit on esitetty kuvissa. Ne sisältävät:

• Leipälauta

• Operatiiviset vahvistimet

  • Kaikki tässä piirissä käytetyt op -vahvistimet ovat LM741.
  • Lisätietoja on tietolomakkeessa:
• Vastukset
• Kondensaattorit
• Johdot

• Kiinnitettävät elektrodit

  Näitä tarvitaan vain, jos päätät kokeilla piiriä oikealla henkilöllä

Käytetty ohjelmisto sisältää:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab tai PSpice simulaatioita varten arvojen tarkistamiseksi

• Excel

  Tämä on erittäin suositeltavaa, jos joudut muuttamaan piirisi ominaisuuksia. Saatat joutua myös leikkimään numeroilla, kunnes löydät helposti saatavilla olevat vastuksen ja kondensaattorin arvot. Kynä ja paperi -laskut eivät suostu tähän! Olemme liittäneet laskentataulukkolaskelmamme antaaksemme idean

Piirin testaus

Tarvitset myös suurempia elektronisia laitteita:

• DC -virtalähde
• DAQ -kortti piirin liittämiseksi LabVIEW -järjestelmään
• Toimintogeneraattori testauspiirille
• Oskilloskooppi testauspiirille

Vaihe 2: Instrumentation Amplifier

Miksi tarvitsemme sitä:

Rakennamme instrumentointivahvistimen vahvistamaan pientä kehosta mitattua amplitudia. Käyttämällä kahta vahvistinta ensimmäisessä vaiheessa voimme poistaa kehon aiheuttaman melun (joka on sama molemmilla elektrodeilla). Käytämme kahta tasavertaista vaihetta - tämä suojaa käyttäjää, jos järjestelmä on yhteydessä henkilöön estämällä kaiken hyödyn tapahtuvan yhdessä paikassa. Koska EKG -signaalin normaali amplitudi on välillä 0,1 - 5 mV, haluamme instrumentointivahvistimen vahvistuksen olevan noin 100. Hyväksynnän hyväksyttävä toleranssi on 10%.

Kuinka rakentaa se:

Käyttämällä näitä eritelmiä ja taulukossa esitettyjä yhtälöitä (liitteenä olevat kuvat) havaitsimme, että vastuksen arvot ovat R1 = 1,8 kiloOhmia, R2 = 8,2 kiloOhmia, R3 = 1,5 kiloOhmia ja R4 = 15 kiloOhmia. K1 on ensimmäisen vaiheen vahvistus (OA1 ja OA2) ja K2 on toisen vaiheen vahvistus (OA3). Operaatiovahvistimien virtalähteissä käytetään yhtä kapasitanssi -ohituskondensaattoreita melun poistamiseksi.

Kuinka testata:

Kaikkia instrumenttivahvistimeen syötettyjä signaaleja on vahvistettava 100: lla. Käyttämällä dB = 20log (Vout/Vin) tämä tarkoittaa suhdetta 40 dB. Voit simuloida tätä PSpicessä tai CircuitLabissa tai testata fyysistä laitetta tai molempia!

Liitetyssä oskilloskooppikuvassa näkyy 1000: n vahvistus. Todelliselle EKG: lle tämä on liian korkea!

Vaihe 3: Lovisuodatin

Miksi tarvitsemme sitä:

Käytämme lovisuodatinta poistamaan 60 Hz: n kohina, joka esiintyy kaikissa Yhdysvaltain virtalähteissä.

Kuinka rakentaa se:

Asetamme laatukertoimen Q arvoon 8, joka tarjoaa hyväksyttävän suodatustehon pitäen komponenttien arvot mahdollisella alueella. Asetimme myös kondensaattorin arvon 0,1 μF, jotta laskelmat vaikuttavat vain vastuksiin. Lasketut ja käytetyt vastuksen arvot näkyvät taulukossa (kuvissa) tai alla

• Q = w/B

  aseta Q arvoon 8 (tai valitse oma tarpeidesi mukaan)

• w = 2*pi*f

  käytä f = 60 Hz

• C

  0,1 uF (tai valitse oma arvo käytettävissä olevista kondensaattoreista)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Laskea. Arvo on 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Laskea. Arvo on 424,4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Laskea. Arvo on 1,65 kohm

Kuinka testata:

Lovisuodattimen on läpäistävä kaikki taajuudet muuttumattomina lukuun ottamatta niitä, jotka ovat noin 60 Hz. Tämä voidaan tarkistaa AC -pyyhkäisyllä. Suodatinta, jonka vahvistus on -20 dB taajuudella 60 Hz, pidetään hyvänä. Voit simuloida tätä PSpicessä tai CircuitLabissa tai testata fyysistä laitetta tai molempia!

Tällainen lovisuodatin voi tuottaa hyvän loven simuloidussa AC -pyyhkäisyssä, mutta fyysinen testi osoitti, että alkuperäiset arvomme loivat loven alemmalla taajuudella kuin oli tarkoitus. Tämän korjaamiseksi korotimme R2 noin 25 kohm.

Oskilloskoopin kuva osoittaa, että suodatin pienentää suuresti tulosignaalin suuruutta 60 Hz: ssä. Kaaviossa näkyy AC -pyyhkäisy korkealaatuiselle lovisuodattimelle.

Vaihe 4: Alipäästösuodatin

Miksi tarvitsemme sitä:

Laitteen viimeinen vaihe on aktiivinen alipäästösuodatin. EKG -signaali koostuu monista eri aaltomuodoista, joilla kullakin on oma taajuutensa. Haluamme kaapata nämä kaikki ilman suurtaajuista kohinaa. EKG -monitorien vakiorajoitustaajuus on valittu 150 Hz. (Korkeammat raja -arvot valitaan joskus tarkkailemaan tiettyjä sydänongelmia, mutta projektissamme käytämme normaalia raja -arvoa.)

Jos haluat tehdä yksinkertaisemman piirin, voit käyttää myös passiivista alipäästösuodatinta. Tämä ei sisällä op -vahvistinta, ja se koostuu vain sarjassa olevasta vastuksesta kondensaattorin kanssa. Lähtöjännite mitataan kondensaattorin poikki.

Kuinka rakentaa se:

Suunnittelemme sen toisen asteen Butterworth -suodattimeksi, jonka kertoimet a ja b ovat 1,414214 ja 1. Vahvistuksen asettaminen arvoon 1 tekee operaatiovahvistimesta jännitteenseurannan. Valitut yhtälöt ja arvot on esitetty taulukossa (kuvissa) ja alla.

• w = 2*pi*f

  asetettu f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Laskea. Arvo on 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Laskea. Arvo on 0,033 uF

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

  Laskea. Arvo on 18.836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Laskea. Arvo on 26,634 kohm

Kuinka testata:

Suodattimen tulee kulkea raja -arvon alapuolella olevia taajuuksia muuttumattomana. Tämä voidaan testata AC -pyyhkäisyllä. Voit simuloida tätä PSpicessä tai CircuitLabissa tai testata fyysistä laitetta tai molempia!

Oskilloskoopin kuva näyttää suodattimen vasteen taajuuksilla 100 Hz, 150 Hz ja 155 Hz. Fyysisen piirimme katkaisu oli lähellä 155 Hz, mikä näkyy -3 dB -suhteessa.

Vaihe 5: Ylipäästösuodatin

Miksi tarvitsemme sitä:

Ylipäästösuodatinta käytetään siten, että tietyn raja-arvon alapuolella olevia taajuuksia ei tallenneta, jolloin puhdas signaali kulkee läpi. Katkaisutaajuudeksi on valittu 0,5 Hz (EKG-monitorien vakioarvo).

Kuinka rakentaa se:

Tämän saavuttamiseksi tarvittavat vastuksen ja kondensaattorin arvot on esitetty alla. Todellinen käytetty vastus oli 318,2 kohm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • asetettu f = 0,5 Hz ja C = 1 uF
  • Laske R. Arvomme on 318,310 kohm

Kuinka testata:

Suodattimen on läpäistävä raja -arvon yläpuolella olevat taajuudet muuttumattomina. Tämä voidaan testata AC -pyyhkäisyllä. Voit simuloida tätä PSpicessä tai CircuitLabissa tai testata fyysistä laitetta tai molempia!

Vaihe 6: LabVIEW -asetusten määrittäminen

Vuokaaviossa esitetään projektin LabVIEW -osan suunnittelukonsepti, joka tallentaa signaalin korkealla näytteenottotaajuudella ja näyttää sykkeen (BPM) ja EKG: n. LabView -piirimme sisältää seuraavat komponentit: DAQ -avustaja, indeksitaulukko, aritmeettiset operaattorit, huipputunnistus, numeeriset indikaattorit, aaltomuodon kuvaaja, ajan muutos, maksimi/min -tunniste ja lukuvakiot. DAQ -avustaja on asetettu ottamaan jatkuvia näytteitä 1 kHz: n taajuudella, ja näytteiden lukumäärää vaihdetaan 3 000 - 5 000 näytteen välillä huipun havaitsemiseksi ja signaalin selkeyden vuoksi.

Vie hiiri kytkentäkaavion eri osien päälle ja lue, mistä LabVIEW -ohjelmasta löydät ne!

Vaihe 7: Tietojen kerääminen

Nyt kun piiri on koottu, voidaan kerätä dataa nähdäkseen, toimiiko se! Lähetä simuloitu EKG piirin läpi 1 Hz: n taajuudella. Tuloksena pitäisi olla puhdas EKG -signaali, jossa QRS -kompleksi, P -aalto ja T -aalto voidaan nähdä selvästi. Sykkeen pitäisi myös näyttää 60 lyöntiä minuutissa (bpm). Testaa piiriä ja LabVIEW -asetuksia edelleen muuttamalla taajuudeksi 1,5 Hz ja 0,5 Hz. Sykkeen tulisi muuttua 90 bpm ja 30 bpm.

Jos haluat hitaamman sykkeen näyttävän tarkasti, sinun on ehkä muutettava DAQ -asetuksia, jotta kaaviota kohti näkyy enemmän aaltoja. Tämä voidaan tehdä lisäämällä näytteiden määrää.

Jos päätät testata laitetta ihmisellä, varmista, että tehovahvistimen käyttämä virtalähde rajoittaa virran 0,015 mA: iin! On olemassa useita hyväksyttäviä johdinkokoonpanoja, mutta päätimme sijoittaa positiivisen elektrodin vasempaan nilkkaan, negatiivisen elektrodin oikeaan ranteeseen ja maadoituselektrodin oikeaan nilkkaan, kuten oheisesta kuvasta näkyy.

Käyttämällä joitain peruspiirikonsepteja ja tietämystämme ihmisen sydämestä olemme osoittaneet sinulle, kuinka luoda hauska ja hyödyllinen laite. Toivomme, että pidit opetusohjelmastamme!