Lav dit eget elektrokardiogram (EKG): 6 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:29

VARSEL:

Dette er ikke et medicinsk udstyr. Dette er kun til uddannelsesmæssige formål ved hjælp af simulerede signaler. Hvis du bruger dette kredsløb til ægte EKG-målinger, skal du sikre dig, at kredsløbet og kredsløbet til instrumentforbindelserne bruger batteristrøm og andre korrekte isoleringsteknikker.

[Billed taget fra

Trin 1: Kend dine ting

Elektrokardiogrammet (EKG) er et vigtigt værktøj, som læger bruger til at overvåge hjertets elektriske aktivitet. Det er nyttigt til at fange alt fra unormale hjerterytmer til diagnosticering af varmesvigt. Ved at følge denne Instructable, vil du være i stand til at bygge en enhed, der viser elektrokardiogrammet for en person, der kun bruger grundlæggende breadboarding -færdigheder og generelt elektronisk laboratorieudstyr. Når du har et godt signaludgang, kan du bruge det samme signal til at beregne hjertefrekvens eller en anden interessant metrik ved hjælp af en mikrokontroller.

-

Hvis du ikke ved, hvad et EKG er, er det simpelthen en registrering af hjertets aktivitet. På grund af hjertets sammentrækninger kan man registrere spændingsændringen ved at placere elektroder på huden og behandle signalet. Plottet af disse spændinger over tid kaldes et elektrokardiogram (kort EKG). EKG bruges typisk til at diagnosticere forskellige former for hjertesvigt eller passivt overvåge patientens stress. Et sundt EKG har særlige træk, der er universelle mellem mennesker. (Dette inkluderer en P-bølge, Q-bølge, R-bølge, S-bølge, T-bølge og et QRS-kompleks.) Jeg har givet et forenklet diagram over et EKG med den tilsvarende reaktion af hjertet.

-

Bemærk, at hver elektrisk hændelse, der forekommer i hjertets nerver, svarer til en fysisk hændelse, der forekommer følgelig i muskelvævet, og mens en del af hjertet trækker sig sammen, slapper de andre dele af. På denne måde er timingen af elektriske signaler meget vigtig i hjertet, hvilket gør et EKG til et meget kraftfuldt værktøj til måling af hjertesundhed.

-

For at vi kan registrere et egentligt EKG, spiller mange logistiske spørgsmål imidlertid ind, såsom signalets størrelse, mængden af støj, der kommer fra resten af kroppen og mængden af støj, der kommer fra miljøet. For at kompensere for dette designer vi et kredsløb, der består af 3 dele: en differentialforstærker for at øge størrelsen på vores signal, et lavpasfilter for at eliminere højfrekvente signaler, og et hakfilter til at fjerne 60 Hz støj, der er altid til stede i bygninger forsynet med vekselstrøm. Jeg vil beskrive overvågningen af disse trin i detaljer for dig nedenfor.

[Billed taget fra

Trin 2: Saml dine forbrugsvarer

Til dette projekt skal du bruge:

- 1 stort brødbræt (med 2 eller flere vil dog være pænere)

- 5 generelle op-forstærkere

(Jeg brugte UA741 med +-15 V, bare sørg for, at dem du vælger kan klare 15 volt, ellers bliver du nødt til at justere værdierne for dine passive komponenter, og du må nøjes med mindre forstærkning)

Modstande

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 overflod eller jumper ledninger

- En DC-spændingskilde, der kan levere +-15 V

- En funktionsgenerator og oscilloskop (hovedsageligt til fejlfinding)

- Mindst tre klæbrige elektroder, hvis du planlægger at optage et egentligt EKG

- Nok kabler til at forbinde alt dette pjat

- En solid forståelse af kredsløb, op-ampere og erfaring med breadboarding.

Hvis du lige har fået et brødbræt til din fødselsdag og ønsker at prøve at lave noget fedt med det, skal du mindst gøre et par enklere konstruktioner, før du prøver dette.

-

Trin 3: Byg differentialforstærkeren

Differentialforstærkeren er det, der vil forstærke vores registrerede signal til et brugbart niveau, der skal vises på et omfang eller en skærm. Dette kredsløbsdesign vil tage forskellen i spænding fra de to indgangselektroder og forstærke det. Dette gøres for at reducere støj, da almindelig støj mellem elektroderne elimineres. EKG -signalet vil variere i amplitude afhængigt af placeringen af optagelseselektroderne og individet, men er typisk i størrelsesordenen et par millivolt ved optagelse fra håndledene. (Selvom det ikke er nødvendigt for denne opsætning, kan signalamplituden øges ved at placere elektroder på brystet, men afvejningen er støj fra lungebevægelse.)

-

Jeg har inkluderet en skematisk oversigt over opsætningen. Kredsløbet på billedet skal forstærke dit signal ~ 1000 gange. Du skal muligvis justere dette afhængigt af den type op-amp, du besluttede at bruge. En hurtig måde at justere dette på er ved at ændre værdien på R1. Ved at skære værdien på R1 i to, vil du fordoble outputforstærkningen og omvendt.

-

Jeg antager, at de fleste af jer kan oversætte dette kredsløb til brødbrættet, ikke desto mindre har jeg inkluderet et diagram over brødbrætopsætningen for at strømline processen og forhåbentlig reducere din fejlfindingstid. Jeg har også inkluderet et billede af UA741 (eller LM741) pinout for din bekvemmelighed. (til dine formål har du ikke brug for ben 1, 5 eller 8) V + og V-benene på op-forstærkeren vil blive tilsluttet henholdsvis din +15 V og -15 V forsyning. -15V er ikke det samme som jord! Du kan ignorere kondensatorerne på mit brødbræt. De er bypass -kondensatorer beregnet til at fjerne AC -støj, men i eftertid var de ikke anstrengelserne værd.

-

Jeg anbefaler at teste hvert trin, mens du gennemfører det for at foretage fejlfinding. Som kredsløbet viser, kan du tilslutte en af indgangene til jorden, og den anden til en lille DC -kilde for at kontrollere forstærkning. (sørg for at indtaste <15 mV ellers mætter du op-forstærkere). Hvis du har brug for at reducere din gevinst ved testning, skal du ikke svede det, alt over 500-fold gevinst vil være rigeligt til vores formål. Desuden, hvis du byggede dit kredsløb til en gevinst på 1000, og det kun viser en gevinst på 800, er det ikke verdens ende, det nøjagtige antal er ikke-kritisk.

-

Trin 4: Byg Notch Filter

Nu hvor vi kan forstærke vores signal, lad os se på at rydde op. Hvis du tilsluttede elektroder til vores kredsløb lige nu, ville det sandsynligvis have et ton på 60 Hz støj. Det fordi de fleste bygninger er forbundet med 60 Hz vekselstrøm, der uundgåeligt forårsager store støjsignaler. For at afhjælpe dette bygger vi et 60 Hz hakfilter. Et hakfilter er designet til at dæmpe meget specifikke frekvenser og efterlade andre frekvenser urørte; perfekt til at slippe af med 60 Hz støj.

-

Som før har jeg inkluderet et billede af kredsløbsskemaet, opsætning af brødbræt og mit eget kredsløb. Som en bemærkning, mens hakfilteret er et relativt let trin at bygge, tog det længst tid for mig at komme i gang. Mit input blev dæmpet godt, men ved 63 Hz i stedet for 60 Hz, hvilket ikke vil skære det. Hvis du støder på det samme problem, anbefaler jeg, at du ændrer din værdi på R14. (Øget modstand på R14 vil sænke din dæmpningsfrekvens og omvendt). Hvis du har en variabel modstandskasse, skal du bruge den til at erstatte R14, og derefter lege med modstandsværdier for at finde ud af, hvad der fungerer bedst, da det vil være følsomt for ændringer i størrelsesorden enkelt ohm. Jeg endte med en 175 ohm R14, men i teorien fungerer det bedst at matche R12.

-

Igen kan du teste dette trin ved at bruge en funktionsgenerator til at indtaste en 60 Hz sinusbølge og registrere dit output på et oscilloskop. Dit output skal være omkring -20 dB eller 10% amplituden af input. Som jeg sagde før, kan du tjekke nærliggende frekvenser for optimering.

-

Trin 5: Byg lavpasfilteret

Som nævnt før er en anden vigtig faktor at reducere støj fra din krop og hvad der ellers zapper det rum, du befinder dig i. Et lavpasfilter er godt til at gøre dette, fordi dit hjerteslag, hvad angår signaler, går temmelig langsomt. Vores mål med lavpasfilteret er at fjerne alle signaler, der indeholder frekvenser, der er højere end dit EKG. For at gøre dette skal vi udpege en "cutoff -frekvens". I vores tilfælde vil alt over denne frekvens eliminere, og alt under denne frekvens vil vi beholde. Mens et hjerteslag forekommer i størrelsesordenen 1 til 3 Hertz, består de individuelle bølgeformer, der udgør vores EKG, af frekvenser, der er meget højere end dette; nær 1 til 50 Hertz. På grund af dette valgte jeg en afbrydelsesfrekvens på 80 Hz. Den er høj nok til at beholde alle de nyttige komponenter i signalet, men afbryder stadig støjen fra den HAM -radio, du har i det næste rum.

-

Jeg har ikke nogen vismandsråd om lavpasfilteret, det er meget enkelt i forhold til de andre faser. På samme måde som forstærkeren, skal du ikke bekymre dig om at få en præcis cutoff ved 80 Hz; dette er ikke afgørende og vil ikke realistisk ske. Ikke desto mindre bør du kontrollere dens output ved hjælp af en funktionsgenerator. Som en tommelfingerregel bør en sinusbølge gå gennem filteret uberørt ved 10 Hz og skal skæres i halve med 130 Hz.

-

Trin 6: Tilslut det

Hvis du har nået så langt, tillykke! Du har alle komponenterne i et EKG. Alt du skal gøre i er at forbinde dem sammen, slå på elektroderne og tilslutte output til oscilloskopet for at se dit EKG!

-

Hvis du er i tvivl om, hvordan du sætter elektroder på, anbefaler jeg at stikke inputelektroderne på dine håndled (en på hvert håndled) og tilslutte en jordelektrode til dit ben (billedet kan hjælpe.) Som en påmindelse bør hver indgangselektrode gå et positivt input på op-ampere i forstærkeren. (Det er kun jordet i kredsløbsdiagrammet til simuleringsformål)

-

Når du er tilsluttet, skal du tilslutte lavpasfilterets output til et oscilloskop og være stolt af dig selv! Få alle dine børn til at tage elektroder på og se på deres hjerteslag. Pokker, lad dine naboer komme og prøve det. Hvis du føler dig ekstra motiveret, skal du tilslutte output til en mikrokontroller for at beregne puls fra singlen. (Du vil sandsynligvis sænke forstærkningen, før du gør dette, det kan stege det bræt, du bruger). Uanset hvad, tillykke med opbygningen og glad for at lave!

[Billed taget fra