EKG og pulsmåler: 7 trinn (med bilder)

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

MERKNAD: 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.

Et av de viktigste diagnostiske verktøyene som brukes for å oppdage disse tilstandene er elektrokardiogrammet (EKG). Et elektrokardiogram fungerer ved å spore den elektriske impulsen gjennom hjertet ditt og overføre den tilbake til maskinen [1]. Signalet hentes fra elektroder plassert på kroppen. Plassering av elektrodene er avgjørende for å fange opp de fysiologiske signalene siden de virker ved å registrere potensialforskjellen over hele kroppen. Standard plassering av elektroder er å bruke Einthoven -trekanten. Det er her en elektrode er plassert på høyre arm, venstre arm og venstre ben. Det venstre benet fungerer som en jord for elektrodene, og det fanger opp frekvensstøyen i kroppen. Høyre arm har en negativ elektrode og venstre har en positiv elektrode for å beregne potensialforskjellen over brystet og derfor hente den elektriske energien fra hjertet [2]. Målet med dette prosjektet var å lage en enhet som kan lykkes med å skaffe seg et EKG -signal og gjengi signalet tydelig uten støy og med tillegg av en pulsmåling.

Trinn 1: Materialer og verktøy

• Ulike motstander og kondensatorer
• Brødbrett
• Funksjonsgenerator
• Oscilloskop
• DC strømforsyning
• Op-forsterkere
• Datamaskin med LABView installert
• BNC kabler
• DAQ -assistent

Trinn 2: Bygg instrumentforsterker

For å forsterke det bioelektriske signalet tilstrekkelig, bør den samlede forsterkningen til to -trinns instrumenteringsforsterker være 1000. Hvert trinn multipliseres for å få den totale forsterkningen og ligningene som brukes til å beregne de enkelte trinnene, er vist nedenfor.

Fase 1 Gain: K1 = 1+2*R2/R1 Fase 2 Gain: K2 = -R4/R3

Ved å bruke ligningene ovenfor var motstandsverdiene vi brukte R1 = 10kΩ, R2 = 150kΩ, R3 = 10kΩ og R4 = 33kΩ. For å sikre at disse verdiene gir ønsket utgang, kan du simulere det online, eller du kan teste det ved hjelp av et oscilloskop etter å ha bygget den fysiske forsterkeren.

Etter at du har koblet de valgte motstandene og op-ampere i brødbrettet, må du drive op-ampere ± 15V fra en likestrømforsyning. Deretter kobler du funksjonsgeneratoren til inngangen til instrumenteringsforsterkeren og oscilloskopet til utgangen.

Bildet ovenfor viser at den ferdige instrumenteringsforsterkeren vil se ut på brødbrettet. For å kontrollere at den fungerer som den skal, still funksjonsgeneratoren til å produsere en sinusbølge ved 1 kHz med en topp til topp amplitude på 20 mV. Utgangen fra forsterkeren på oscilloskopet bør ha en topp til topp amplitude på 20 V, siden det er en gevinst på 1000, hvis den fungerer som den skal.

Trinn 3: Bygg hakkfilter

På grunn av støyen fra kraftledningen var det nødvendig med et filter for å filtrere ut støy ved 60Hz, som er støy fra kraftledningen i USA. Et hakkfilter ble brukt siden det filtrerer en bestemt frekvens. Følgende ligninger ble brukt til å beregne motstandsverdiene. En kvalitativ faktor (Q) på 8 fungerte bra og kondensatorverdier på 0.1uF ble valgt for enkel konstruksjon. Frekvensen i ligningene (avbildet som w) er hakkfrekvensen 60Hz multiplisert med 2π.

R1 = 1/(2QwC)

R2 = 2Q/(wC)

R3 = (R1*R2)/(R1+R2)

Ved å bruke ligningene ovenfor var motstandsverdiene vi brukte R1 = 1,5kΩ, R2 = 470kΩ og R3 = 1,5kΩ. For å sikre at disse verdiene gir ønsket utgang, kan du simulere det online, eller du kan teste det ved hjelp av et oscilloskop etter å ha bygget den fysiske forsterkeren.

Bildet ovenfor viser hvordan det ferdige hakkfilteret vil se ut i brødbrettet. Oppsettet for op-ampere er det samme som instrumenteringsforsterkeren, og funksjonsgeneratoren skal nå settes til å produsere en sinusbølge ved 1 kHz med en topp til topp amplitude på 1V. Hvis du utfører en AC Sweep, bør du kunne bekrefte at frekvenser rundt 60Hz er filtrert bort.

Trinn 4: Bygg et lavpassfilter

For å filtrere ut høyfrekvent støy som ikke er relatert til EKG, ble det laget et lavpassfilter med en cutoff-frekvens på 150 Hz.

R1 = 2/(w [aC2+sqrt (a2+4b (K-1)) C2^2-4b*C1*C2)

R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

R3 = K (R1+R2)/(K-1)

C1 <= C2 [a^2+4b (K-1)]/4b

R4 = K (R1+R2)

Ved å bruke ligningene ovenfor var motstandsverdiene vi brukte R1 = 12kΩ, R2 = 135kΩ, C1 = 0,01 µF og C2 = 0,068 µF. Verdiene for R3 og R4 endte opp med å være null siden vi ønsket at filterets forsterkning, K, skulle være null, derfor brukte vi ledninger i stedet for motstander her i det fysiske oppsettet. For å sikre at disse verdiene gir ønsket utgang, kan du simulere det online, eller du kan teste det ved hjelp av et oscilloskop etter å ha bygget den fysiske forsterkeren.

For å bygge det fysiske filteret, koble de valgte motstandene og kondensatorene til op-amp som vist på skjematisk. Slå på forsterkeren og koble funksjonsgeneratoren og oscilloskopet på samme måte som beskrevet i de foregående trinnene. Still funksjonsgeneratoren til å produsere en sinusbølge ved 150Hz og med en topp-til-topp-amplitude på omtrent 1 V. Siden 150Hz skal være cutoff-frekvensen, hvis filteret fungerer som det skal, bør størrelsen være 3dB ved denne frekvensen. Dette vil fortelle deg om filteret er satt opp riktig.

Trinn 5: Koble alle komponentene sammen

Etter å ha bygget hver komponent og testet dem separat, kan de alle kobles i serie. Koble funksjonsgeneratoren til inngangen til instrumenteringsforsterkeren, og koble deretter utgangen til inngangen til hakkfilteret. Gjør dette igjen ved å koble utgangen til hakkfilteret til inngangen til lavpassfilteret. Utgangen fra lavpassfilteret skal deretter koble til oscilloskopet.

Trinn 6: Konfigurer LabVIEW

EKG -hjerteslagbølgeformen ble deretter tatt med DAQ -assistent og LabView. En DAQ -assistent skaffer analoge signaler og definerer samplingsparametere. Koble DAQ -assistenten til funksjonsgeneratoren som sender ut et arb -hjertesignal og til datamaskinen med LabView. Sett opp LabView i henhold til skjematikken vist ovenfor. DAQ -assistenten vil bringe inn hjertebølgen fra funksjonsgeneratoren. Legg til kurveformgrafen i LabView -oppsettet ditt også for å se grafen. Bruk numeriske operatorer til å angi en terskel for maksimalverdi. I den viste skjematikken ble 80% brukt. Peak -analyse bør også brukes til å finne topplasser og knytte dem til endringen i tid. Multipliser toppfrekvensen med 60 for å beregne slagene i minuttet, og dette tallet ble sendt ut ved siden av grafen.

Trinn 7: Du kan nå registrere et EKG

[1] “Elektrokardiogram - Texas Heart Institute Heart Information Center.” [På nett]. Tilgjengelig: https://www.texasheart.org/HIC/Topics/Diag/diekg.cfm. [Tilgang: 09-desember-2017].

[2] "EKG Leads, Polarity and Einthoven's Triangle - The Student Physiologist." [På nett]. Tilgjengelig: https://thephysiologist.org/study-materials/the-ecg-leads-polarity-and-einthovens-triangle/. [Tilgang: 10-desember-2017].