Elektrokardiogram (EKG) krets: 7 trinn

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

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

Vi er to studenter i biomedisinsk ingeniørfag, og etter å ha tatt vår første kretsløype, var vi ganske spente og bestemte oss for å bruke det grunnleggende vi lærte for å gjøre noe nyttig: vise et EKG og lese pulsen. Dette ville være den mest komplekse kretsen vi har bygget ennå!

Litt bakgrunn på EKG:

Mange elektriske enheter brukes til å måle og registrere biologisk aktivitet i menneskekroppen. En slik enhet er elektrokardiogrammet, som måler de elektriske signalene som hjertet produserer. Disse signalene gir objektiv informasjon om hjertets struktur og funksjon. EKG ble først utviklet i 1887 og ga leger en ny måte å diagnostisere hjertekomplikasjoner. EKG kan oppdage hjerterytme, puls, hjerteinfarkt, utilstrekkelig blod- og oksygentilførsel til hjertet og strukturelle abnormiteter. Ved hjelp av enkel kretsdesign kan det lages et EKG som kan overvåke alle disse tingene.

Trinn 1: Materialer

Å bygge kretsen

Grunnleggende materialer som trengs for å bygge kretsen er vist på bilder. De inkluderer:

• Brødbrett

• Operasjonelle forsterkere

  • Alle op -forsterkere som brukes i denne kretsen er LM741.
  • For mer informasjon, se databladet:
• Motstander
• Kondensatorer
• Ledninger

• Festelektroder

  Disse er bare nødvendige hvis du bestemmer deg for å prøve kretsen på en ekte person

Programvaren som brukes inkluderer:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab eller PSpice for simuleringer for å kontrollere verdier

• utmerke

  Dette anbefales på det sterkeste hvis du trenger å endre noen av egenskapene til kretsen din. Du må kanskje også leke med tallene til du finner motstands- og kondensatorverdier som er lett tilgjengelige. Penn-og-papir-beregninger frarådes for denne! Vi har lagt ved regnearkberegningene våre for å gi en ide

Tester kretsen

Du trenger også noe større elektronisk utstyr:

• DC strømforsyning
• DAQ -kort for å koble kretsen til LabVIEW
• Funksjonsgenerator for testkrets
• Oscilloskop for testkrets

Trinn 2: Instrumentasjonsforsterker

Hvorfor trenger vi det:

Vi vil bygge en instrumenteringsforsterker for å forsterke den lille amplituden målt fra kroppen. Ved å bruke to forsterkere i vår første fase, kan vi avbryte støyen som skapes av kroppen (som vil være den samme ved begge elektrodene). Vi vil bruke to stadier med omtrent lik gevinst - dette beskytter brukeren hvis systemet er koblet til en person ved å forhindre at all gevinsten skjer på ett sted. Siden den normale amplituden til et EKG -signal er mellom 0,1 og 5 mV, ønsker vi at forsterkningen til instrumenteringsforsterkeren skal være omtrent 100. En akseptabel toleranse for forsterkningen er 10%.

Slik bygger du det:

Ved å bruke disse spesifikasjonene og ligningene i tabellen (vedlagte bilder) fant vi motstandsverdiene våre til R1 = 1,8 kiloOhms, R2 = 8,2 kiloOhms, R3 = 1,5 kiloOhms og R4 = 15 kiloOhms. K1 er forsterkningen i det første trinnet (OA1 og OA2), og K2 er forsterkningen i det andre trinnet (OA3). Lik kapasitans -bypass -kondensatorer brukes på strømforsyningene til operasjonsforsterkerne for å fjerne støy.

Slik tester du det:

Ethvert signal som mates inn i instrumenteringsforsterkeren bør forsterkes med 100. Ved bruk av dB = 20log (Vout/Vin) betyr dette et forhold på 40 dB. Du kan simulere dette i PSpice eller CircuitLab, eller teste den fysiske enheten, eller begge deler!

Oscilloskopbildet vedlagt viser en gevinst på 1000. For et ekte EKG er dette for høyt!

Trinn 3: Hakkfilter

Hvorfor trenger vi det:

Vi vil bruke et hakkfilter for å fjerne 60 Hz -støyen som finnes i alle strømforsyninger i USA.

Slik bygger du det:

Vi vil sette kvalitetsfaktoren Q til å være 8, noe som vil gi en akseptabel filtrering, samtidig som komponentverdiene holdes i et mulig område. Vi har også satt kondensatorverdien til 0,1 μF, slik at beregninger bare påvirker motstandene. Motstandsverdiene beregnet og brukt kan ses i tabellen (i bilder) eller nedenfor

• Q = m/B

  sett Q til 8 (eller velg din egen basert på ditt eget behov)

• w = 2*pi*f

  bruk f = 60 Hz

• C

  sett til 0,1 uF (eller velg din egen verdi fra tilgjengelige kondensatorer)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Regne ut. Vår verdi er 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Regne ut. Vår verdi er 424,4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Regne ut. Vår verdi er 1,65 kohm

Slik tester du det:

Hakkfilteret bør passere alle frekvenser uendret bortsett fra de rundt 60 Hz. Dette kan kontrolleres med en AC -feier. Et filter med en forsterkning på -20 dB ved 60 Hz anses som godt. Du kan simulere dette i PSpice eller CircuitLab, eller teste den fysiske enheten, eller begge deler!

Denne typen hakkfilter kan generere et godt hakk i den simulerte vekselstrømmen, men en fysisk test viste at våre opprinnelige verdier genererte et hakk med en lavere frekvens enn beregnet. For å fikse dette, støttet vi opp R2 med omtrent 25 kohm.

Oscilloskopbildet viser at filteret reduserer størrelsen på inngangssignalet kraftig ved 60 Hz. Grafen viser en AC -feier for et hakkfilter av høy kvalitet.

Trinn 4: Lavpassfilter

Hvorfor trenger vi det:

Den siste fasen av enheten er et aktivt lavpassfilter. EKG -signalet består av mange forskjellige bølgeformer, som hver har sin egen frekvens. Vi ønsker å fange alle disse, uten høyfrekvent støy. Standard cutoff -frekvens for EKG -skjermer på 150 Hz er valgt. (Noen ganger blir høyere avbrudd valgt for å overvåke for spesifikke hjerteproblemer, men for prosjektet vårt vil vi bruke et normalt avbrudd.)

Hvis du vil lage en enklere krets, kan du også bruke et passivt lavpassfilter. Dette vil ikke inkludere en op -forsterker, og vil bare bestå av en motstand i serie med en kondensator. Utgangsspenningen måles over kondensatoren.

Slik bygger du det:

Vi vil designe det som et andreordens Butterworth -filter, som har koeffisientene a og b som er henholdsvis 1.414214 og 1. Ved å sette forsterkningen til 1 blir operasjonsforsterkeren til en spenningsfølger. De valgte ligningene og verdiene er vist i tabellen (i bilder) og nedenfor.

• w = 2*pi*f

  sett f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Regne ut. Vår verdi er 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Regne ut. Vår verdi er 0,033 uF

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

  Regne ut. Vår verdi er 18.836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Regne ut. Vår verdi er 26.634 kohm

Slik tester du det:

Filteret bør passere frekvenser under grenseverdien uendret. Dette kan testes med en AC -feier. Du kan simulere dette i PSpice eller CircuitLab, eller teste den fysiske enheten, eller begge deler!

Oscilloskopbildet viser filterets respons ved 100 Hz, 150 Hz og 155 Hz. Vår fysiske krets hadde en cutoff nærmere 155 Hz, vist med -3 dB -forholdet.

Trinn 5: Høypassfilter

Hvorfor trenger vi det:

Høypassfilteret brukes slik at frekvenser under en viss grenseverdi ikke registreres, slik at et rent signal kan passeres. Skjæringsfrekvensen er valgt til å være 0,5 Hz (en standardverdi for EKG-skjermer).

Slik bygger du det:

Verdiene til motstanden og kondensatoren som trengs for å oppnå dette er sett nedenfor. Vår faktiske motstand som ble brukt var 318,2 kohm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • sett f = 0,5 Hz, og C = 1 uF
  • Beregn R. Vår verdi er 318.310 kohm

Slik tester du det:

Filteret bør passere frekvenser over cutoff uendret. Dette kan testes med en AC -feier. Du kan simulere dette i PSpice eller CircuitLab, eller teste den fysiske enheten, eller begge deler!

Trinn 6: Konfigurere LabVIEW

Flytskjemaet beskriver designkonseptet for LabVIEW -delen av prosjektet som registrerer signalet med høy samplingsfrekvens og viser hjertefrekvensen (BPM) og EKG. Vår LabView -krets inneholder følgende komponenter: DAQ -assistent, indeksmatrise, aritmetiske operatorer, toppdeteksjon, numeriske indikatorer, kurveformgraf, endring i tid, maks/min -identifikator og tallkonstanter. DAQ -assistenten er satt til å ta kontinuerlige prøver med en hastighet på 1 kHz, med antall prøver endret mellom 3 000 og 5 000 prøver for toppdeteksjon og signalklarhetsformål.

Hold musen over de forskjellige komponentene i kretsdiagrammet for å lese hvor i LabVIEW du finner dem!

Trinn 7: Innsamling av data

Nå som kretsen er satt sammen, kan data samles inn for å se om den fungerer! Send et simulert EKG gjennom kretsen ved 1 Hz. Resultatet skal være et rent EKG -signal der QRS -komplekset, P -bølgen og T -bølgen tydelig kan sees. Pulsen bør også vise 60 slag per minutt (bpm). For å teste kretsen og LabVIEW -oppsettet ytterligere, endrer du frekvensen til 1,5 Hz og 0,5 Hz. Pulsen bør endres til henholdsvis 90 slag / min og 30 slag / minutt.

For at langsommere hjertefrekvenser skal vises nøyaktig, må du kanskje justere DAQ -innstillingene for å vise flere bølger per graf. Dette kan gjøres ved å øke antall prøver.

Hvis du velger å teste enheten på et menneske, må du sørge for at strømforsyningen du bruker for forsterkerne, begrenser strømmen til 0,015 mA! Det er flere akseptable blykonfigurasjoner, men vi valgte å plassere den positive elektroden på venstre ankel, den negative elektroden på høyre håndledd og jordelektroden på høyre ankel som vist på vedlagte bilde.

Ved å bruke noen grunnleggende kretsbegreper og vår kunnskap om menneskehjertet, har vi vist deg hvordan du lager en morsom og nyttig enhet. Vi håper du likte opplæringen vår!