Lag ditt eget elektrokardiogram (EKG): 6 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:25

LEGGE MERKE TIL:

Dette er ikke et medisinsk utstyr. Dette er kun for utdanningsformål, ved bruk av simulerte signaler. Hvis du bruker denne kretsen til ekte EKG-målinger, må du kontrollere at kretsen og krets-til-instrument-tilkoblingene bruker batteristrøm og andre riktige isolasjonsteknikker.

[Bilde tatt fra

Trinn 1: Kjenn tingene dine

Elektrokardiogrammet (EKG) er et viktig verktøy som brukes av leger for å overvåke hjertets elektriske aktivitet. Det er nyttig for å fange alt fra unormale hjerterytmer til diagnostisering av varmesvikt. Ved å følge denne instruksjonsboken, vil du kunne bygge en enhet som viser elektrokardiogrammet til en person som bare bruker grunnleggende breadboarding -ferdigheter og generelt elektronisk laboratorieutstyr. Når du har god signalutgang, kan du bruke det samme signalet til å beregne hjertefrekvens, eller en annen interessant beregning ved hjelp av en mikrokontroller.

-

Hvis du ikke vet hva et EKG er, er det bare en registrering av hjertets aktivitet. På grunn av hjertets sammentrekninger kan man registrere endringen i spenning ved å plassere elektroder på huden og behandle signalet. Plottet av disse spenningene over tid kalles et elektrokardiogram (kort EKG). EKG brukes vanligvis til å diagnostisere forskjellige former for hjertesvikt, eller passivt overvåke pasientstress. Et sunt EKG har spesifikke egenskaper som er universelle mellom mennesker. (Dette inkluderer en P-bølge, Q-bølge, R-bølge, S-bølge, T-bølge og et QRS-kompleks.) Jeg har gitt et forenklet diagram over et EKG med den tilsvarende reaksjonen i hjertet.

-

Legg merke til at hver elektrisk hendelse som skjer i hjertets nerver tilsvarer en fysisk hendelse som oppstår følgelig i muskelvevet, og mens en del av hjertet trekker seg sammen, slapper de andre delene av. På denne måten er tidspunktet for elektriske signaler svært viktig i hjertet, noe som gjør et EKG til et veldig kraftig verktøy for å måle hjertes helse.

-

For at vi skal registrere et faktisk EKG, spiller imidlertid mange logistiske problemer inn, for eksempel størrelsen på signalet, mengden støy som kommer fra resten av kroppen og mengden støy som kommer fra miljøet. For å kompensere for dette, designer vi en krets som vil bestå av 3 deler: en differensialforsterker for å øke signalstørrelsen, et lavpassfilter for å eliminere høyfrekvente signaler, og et hakkfilter for å fjerne 60 Hz støy som er alltid tilstede i bygninger som er utstyrt med vekselstrøm. Jeg vil beskrive se på disse trinnene i detalj for deg nedenfor.

[Bilde tatt fra

Trinn 2: Samle rekvisita

For dette prosjektet trenger du:

- 1 stort brødbrett (å ha 2 eller flere vil imidlertid være hyggeligere)

- 5 generelle forsterkere

(Jeg brukte UA741 med +-15 V, bare sørg for at de du velger kan håndtere 15 volt, ellers må du justere verdiene til dine passive komponenter, og du må nøye deg med mindre forsterkning)

Motstander

o 2x 165 ohm

o 3x 1k ohm

o 2x 15k ohm

o 2x 33k ohm

o 1x 42k ohm

o 2x 60k ohm

Kondensatorer

o 2x 22nF

o 2x 1μF

o 1x 2Μf

- En mengde eller hoppetråder

- En likspenningskilde som kan levere +-15 V

- En funksjonsgenerator og oscilloskop (hovedsakelig for feilsøking)

- Minst tre klissete elektroder hvis du planlegger å ta opp et faktisk EKG

- Nok kabler til å koble til alt dette tullet

- God forståelse for kretser, forsterkere og erfaring med breadboarding.

Hvis du nettopp har et brødbrett til bursdagen din og ønsker å prøve å lage noe kult med det, må du gjøre noen få enklere bygg før du prøver dette.

-

Trinn 3: Bygg differensialforsterkeren

Differensialforsterkeren er det som vil forsterke vårt innspilte signal til et brukbart nivå som skal vises på et omfang eller en skjerm. Denne kretsutformingen vil ta forskjellen i spenning fra de to inngangselektrodene og forsterke den. Dette gjøres for å redusere støy, da vanlig støy mellom elektrodene elimineres. EKG -signalet vil variere i amplitude avhengig av plasseringen av opptakselektrodene og individet, men er vanligvis i størrelsesorden noen få millivolt ved opptak fra håndleddene. (Selv om det ikke er nødvendig for dette oppsettet, kan signalamplituden økes ved å plassere elektroder på brystet, men avveining er støy fra lungebevegelser.)

-

Jeg har inkludert en skjematisk oversikt over oppsettet. Kretsen på bildet skal forsterke signalet ditt ~ 1000 ganger. Du må kanskje justere dette avhengig av hvilken type forsterker du bestemte deg for å bruke. En rask måte å justere dette på er ved å endre verdien på R1. Ved å kutte verdien til R1 i to, vil du doble utgangsforsterkningen og omvendt.

-

Jeg antar at de fleste av dere kan oversette denne kretsen til brødbrettet, likevel har jeg tatt med et diagram over brødbrettoppsettet for å effektivisere prosessen og forhåpentligvis redusere feilsøkingstiden. Jeg har også tatt med et bilde av UA741 (eller LM741) pinout for enkelhets skyld. (for dine formål trenger du ikke pinne 1, 5 eller 8) V + og V-pinnene på op-forsterkeren vil bli koblet til henholdsvis +15 V og -15 V forsyning. -15V er ikke det samme som bakken! Du kan ignorere kondensatorene på brødbrettet mitt. De er bypass -kondensatorer ment for å fjerne AC -støy, men i ettertid var det ikke verdt innsatsen.

-

Jeg anbefaler å teste hvert trinn mens du fullfører det for å feilsøke. Som kretsen viser, kan du koble en av inngangene til bakken, og den andre til en liten DC -kilde for å kontrollere forsterkningen. (sørg for at du skriver inn <15 mV ellers metter du forsterkere). Hvis du trenger å redusere gevinsten din ved testing, ikke svett den. Alt over 500 ganger forsterkning vil være nok for våre formål. Dessuten, hvis du bygde kretsen din for å ha en gevinst på 1000 og den bare viser en gevinst på 800, er det ikke verdens ende, det eksakte tallet er ikke-kritisk.

-

Trinn 4: Bygg hakkfilteret

Nå som vi kan forsterke signalet vårt, la oss se på å rydde opp. Hvis du koblet til elektroder til kretsen vår akkurat nå, ville den sannsynligvis ha massevis av 60 Hz støy. Det fordi de fleste bygninger er tilkoblet med 60 Hz vekselstrøm som forårsaker uunngåelig store støysignaler. For å bøte på dette, bygger vi et 60 Hz hakkfilter. Et hakkfilter er designet for å dempe helt spesifikke frekvenser og la andre frekvenser være urørte; perfekt for å bli kvitt 60 Hz støy.

-

Som før har jeg tatt med et bilde av kretsskjemaet, brødbrettoppsettet og min egen krets. Som et notat, mens hakkfilteret er et relativt enkelt trinn å bygge, tok det lengst tid før jeg begynte å jobbe. Inngangen min ble dempet godt, men ved 63 Hz i stedet for 60 Hz, noe som ikke vil kutte den. Hvis du støter på det samme problemet, anbefaler jeg at du endrer verdien på R14. (Økende motstand på R14 vil redusere dempningsfrekvensen og omvendt). Hvis du har en variabel motstandsboks, bruk den til å erstatte R14, og lek deretter med motstandsverdier for å finne ut nøyaktig hva som fungerer best, da den vil være følsom for endringer i størrelsen på enkelt ohm. Jeg endte opp med en 175 ohm R14, men i teorien fungerer det best å matche R12.

-

Igjen kan du teste dette stadiet ved å bruke en funksjonsgenerator til å legge inn en 60 Hz sinusbølge og registrere utgangen på et oscilloskop. Utgangen din bør være omtrent -20 dB eller 10% amplituden til inngangen. Som jeg sa før, kan du sjekke nærliggende frekvenser for optimalisering.

-

Trinn 5: Bygg lavpassfilteret

Som nevnt tidligere, er en annen viktig faktor å redusere støy fra kroppen din og alt annet som zapper rommet du befinner deg i. Et lavpassfilter er bra til å gjøre dette fordi hjerteslaget ditt er ganske sakte når det gjelder signaler. Målet vårt med lavpassfilteret er å eliminere alle signaler som inneholder frekvenser høyere enn EKG. For å gjøre dette må vi angi en "cutoff -frekvens". I vårt tilfelle vil vi eliminere alt over denne frekvensen, og alt under denne frekvensen vil vi beholde. Mens det oppstår et hjerteslag i størrelsesorden 1 til 3 Hertz, består de individuelle bølgeformene som består av EKG av frekvenser som er mye høyere enn dette; nær 1 til 50 Hertz. På grunn av dette valgte jeg en cutoff -frekvens på 80 Hz. Den er høy nok til å beholde alle nyttige komponenter i signalet, men kutter fortsatt støyen fra HAM -radioen du har i det neste rommet.

-

Jeg har ikke noen visråd om lavpassfilteret, det er veldig enkelt i forhold til de andre stadiene. På samme måte som forsterkeren, ikke bekymre deg for å få en presis cutoff ved 80 Hz; dette er ikke avgjørende og vil ikke realistisk skje. Likevel bør du sjekke utgangen ved å bruke en funksjonsgenerator. Som en tommelfingerregel bør en sinusbølge gå gjennom filteret uberørt ved 10 Hz, og skal kuttes i to med 130 Hz.

-

Trinn 6: Koble til

Hvis du har kommet så langt, gratulerer! Du har alle komponentene i et EKG. Alt du trenger å gjøre er å koble dem sammen, slå på elektrodene og koble utgangen til oscilloskopet for å se EKG!

-

Hvis du er usikker på hvordan du skal sette på deg elektroder, anbefaler jeg å stikke inngangselektrodene på håndleddene (en på hvert håndledd) og koble en jordelektrode til beinet ditt (bildet kan hjelpe.) Som en påminnelse bør hver inngangselektrode gå en positiv inngang på op-forsterkere i forsterkeren. (Det er bare jordet i kretsdiagrammet for simuleringsformål)

-

Når du er koblet til, kobler du utgangen til lavpassfilteret til et oscilloskop og er stolt av deg selv! Få alle barna til å ta på seg elektroder og se på hjerteslagene deres. Pokker, få naboene til å prøve det. Hvis du føler deg ekstra motivert, koble utgangen til en mikrokontroller for å beregne hjertefrekvensen fra singelen. (Du vil sannsynligvis senke forsterkningen før du gjør dette, det kan steke brettet du bruker). Gratulerer uansett med bygget, og lykke til!

[Bilde tatt fra