Elektrokardiogram (EKG) kredsløb: 7 trin

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

Bemærk: Dette er ikke et medicinsk udstyr. Dette er kun til uddannelsesmæssige formål ved hjælp af simulerede signaler. Hvis du bruger dette kredsløb til rigtige EKG-målinger, skal du sikre dig, at kredsløbet og kredsløbet til instrumentforbindelserne anvender korrekte isolationsteknikker.

Vi er to studerende i biomedicinsk teknik, og efter at have taget vores første kredsløbskursus var vi ret begejstrede og besluttede at bruge det grundlæggende, vi lærte, til at gøre noget nyttigt: vise et EKG og læse puls. Dette ville være det mest komplekse kredsløb, vi har bygget endnu!

Lidt baggrund på et EKG:

Mange elektriske apparater bruges til at måle og registrere biologisk aktivitet i menneskekroppen. En sådan enhed er elektrokardiogrammet, der måler de elektriske signaler, der produceres af hjertet. Disse signaler giver objektiv information om hjertets struktur og funktion. EKG blev først udviklet i 1887 og gav læger en ny måde at diagnosticere hjertekomplikationer på. EKG'er kan registrere hjerterytme, puls, hjerteanfald, utilstrækkelig blod- og iltforsyning til hjertet og strukturelle abnormiteter. Ved hjælp af simpelt kredsløbsdesign kan der laves et EKG, der kunne overvåge alle disse ting.

Trin 1: Materialer

Bygger kredsløbet

Grundlæggende materialer, der er nødvendige for at bygge kredsløbet, er vist på billeder. De omfatter:

• Brødbræt

• Operationelle forstærkere

  • Alle op -forstærkere, der bruges i dette kredsløb, er LM741.
  • For mere information, se databladet:
• Modstande
• Kondensatorer
• Ledninger

• Stick-on elektroder

  Disse er kun nødvendige, hvis du beslutter dig for at prøve kredsløbet på en rigtig person

Den anvendte software omfatter:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab eller PSpice til simuleringer til kontrol af værdier

• Excel

  Dette anbefales stærkt, hvis du skal ændre nogen af egenskaberne ved dit kredsløb. Du skal muligvis også lege med tallene, indtil du finder værdier for modstand og kondensator, der er let tilgængelige. Pen-og-papir-beregninger frarådes til denne! Vi har vedhæftet vores regnearksberegninger for at give en idé

Test af kredsløbet

Du skal også bruge noget større elektronisk udstyr:

• DC strømforsyning
• DAQ -kort til at tilslutte kredsløbet til LabVIEW
• Funktionsgenerator til testkredsløb
• Oscilloskop til testkredsløb

Trin 2: Instrumentforstærker

Hvorfor har vi brug for det:

Vi vil bygge en instrumenteringsforstærker for at forstærke den lille amplitude målt fra kroppen. Brug af to forstærkere i vores første fase giver os mulighed for at annullere den støj, der er skabt af kroppen (som vil være den samme ved begge elektroder). Vi vil bruge to faser med omtrent lige forstærkning - dette beskytter brugeren, hvis systemet er forbundet til en person ved at forhindre, at alle gevinster sker på ét sted. Da den normale amplitude af et EKG -signal er mellem 0,1 og 5 mV, ønsker vi, at instrumentforstærkerens forstærkning er omkring 100. En acceptabel tolerance for forstærkningen er 10%.

Sådan bygger du det:

Ved hjælp af disse specifikationer og ligningerne i tabellen (vedhæftede billeder) fandt vi vores modstandsværdier til R1 = 1,8 kiloOhms, R2 = 8,2 kiloOhms, R3 = 1,5 kiloOhms og R4 = 15 kiloOhms. K1 er forstærkningen i det første trin (OA1 og OA2), og K2 er gevinsten i det andet trin (OA3). Lige kapacitans -bypass -kondensatorer bruges på strømforsyningerne til operationsforstærkerne til at fjerne støj.

Sådan testes det:

Ethvert signal, der føres ind i instrumenteringsforstærkeren, bør forstærkes med 100. Brug af dB = 20log (Vout/Vin) betyder et forhold på 40 dB. Du kan simulere dette i PSpice eller CircuitLab eller teste den fysiske enhed eller begge dele!

Det vedhæftede oscilloskopbillede viser en gevinst på 1000. For et ægte EKG er dette for højt!

Trin 3: Hakfilter

Hvorfor har vi brug for det:

Vi vil bruge et hakfilter til at fjerne den 60 Hz støj, der findes i alle strømforsyninger i USA.

Sådan bygger du det:

Vi vil indstille kvalitetsfaktoren Q til 8, hvilket giver et acceptabelt filtreringsoutput, samtidig med at komponentværdierne holdes inden for et muligt område. Vi har også indstillet kondensatorværdien til 0,1 μF, så beregninger kun påvirker modstandene. Modstandsværdierne beregnet og brugt kan ses i tabellen (i billeder) eller nedenfor

• Q = m/B

  indstil Q til 8 (eller vælg dit eget baseret på dit eget behov)

• w = 2*pi*f

  brug f = 60 Hz

• C

  indstillet til 0,1 uF (eller vælg din egen værdi blandt tilgængelige kondensatorer)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Beregn. Vores værdi er 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Beregn. Vores værdi er 424,4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Beregn. Vores værdi er 1,65 kohm

Sådan testes det:

Hakfilteret skal passere alle frekvenser uændret bortset fra dem omkring 60 Hz. Dette kan kontrolleres med en AC -sweep. Et filter med en forstærkning på -20 dB ved 60 Hz betragtes som godt. Du kan simulere dette i PSpice eller CircuitLab eller teste den fysiske enhed eller begge dele!

Denne form for hakfilter genererer muligvis et godt hak i det simulerede AC -sweep, men en fysisk test viste, at vores oprindelige værdier genererede et hak ved en lavere frekvens end beregnet. For at løse dette stødte vi R2 op med cirka 25 kohm.

Oscilloskopbilledet viser filteret reducerer indgangssignalets størrelse i høj grad ved 60 Hz. Grafen viser en AC -sweep for et hakfilter i høj kvalitet.

Trin 4: Lavpasfilter

Hvorfor har vi brug for det:

Den sidste fase af enheden er et aktivt lavpasfilter. EKG -signalet består af mange forskellige bølgeformer, som hver har deres egen frekvens. Vi ønsker at fange alle disse, uden nogen højfrekvent støj. Standardafskæringsfrekvensen for EKG -skærme på 150 Hz vælges. (Højere cutoffs vælges undertiden for at overvåge for specifikke hjerteproblemer, men for vores projekt vil vi bruge en normal cutoff.)

Hvis du gerne vil lave et enklere kredsløb, kan du også bruge et passivt lavpasfilter. Dette inkluderer ikke en op -forstærker og består kun af en modstand i serie med en kondensator. Udgangsspændingen måles på tværs af kondensatoren.

Sådan bygger du det:

Vi vil designe det som et andet ordens Butterworth -filter, der har koefficienterne a og b svarende til henholdsvis 1.414214 og 1. Indstilling af forstærkningen til 1 gør driftsforstærkeren til en spændingsfølger. De valgte ligninger og værdier er vist i tabellen (i billeder) og herunder.

• w = 2*pi*f

  sæt f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Beregn. Vores værdi er 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Beregn. Vores værdi er 0,033 uF

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

  Beregn. Vores værdi er 18.836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Beregn. Vores værdi er 26.634 kohm

Sådan testes det:

Filteret bør passere frekvenser under cutoff uændret. Dette kan testes ved hjælp af en AC -sweep. Du kan simulere dette i PSpice eller CircuitLab eller teste den fysiske enhed eller begge dele!

Oscilloskopbilledet viser filterets respons ved 100 Hz, 150 Hz og 155 Hz. Vores fysiske kredsløb havde en afbrydelse tættere på 155 Hz, vist ved -3 dB -forholdet.

Trin 5: Højpasfilter

Hvorfor har vi brug for det:

Højpasfilteret bruges, så frekvenser under en bestemt grænseværdi ikke registreres, så et rent signal kan passeres. Afskæringsfrekvensen vælges til at være 0,5 Hz (en standardværdi for EKG-skærme).

Sådan bygger du det:

Modstands- og kondensatorværdierne, der er nødvendige for at opnå dette, ses nedenfor. Vores faktiske modstand, der blev brugt, var 318,2 kohm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • sæt f = 0,5 Hz og C = 1 uF
  • Beregn R. Vores værdi er 318.310 kohm

Sådan testes det:

Filteret bør passere frekvenser over afskærmningen uændret. Dette kan testes ved hjælp af en AC -sweep. Du kan simulere dette i PSpice eller CircuitLab eller teste den fysiske enhed eller begge dele!

Trin 6: Opsætning af LabVIEW

Flowdiagrammet beskriver designkonceptet for LabVIEW -delen af projektet, der registrerer signalet ved en høj samplingshastighed og viser puls (BPM) og EKG. Vores LabView -kredsløb indeholder følgende komponenter: DAQ -assistent, indeksarray, aritmetiske operatorer, spidsdetektering, numeriske indikatorer, kurveformgraf, ændring i tid, max/min -id og talkonstanter. DAQ -assistenten er indstillet til at tage kontinuerlige prøver med en hastighed på 1 kHz, hvor antallet af prøver ændres mellem 3.000 og 5.000 prøver til spidsdetektering og signalklarhed.

Hold musen over de forskellige komponenter i kredsløbsdiagrammet for at læse, hvor i LabVIEW du kan finde dem!

Trin 7: Indsamling af data

Nu hvor kredsløbet er samlet, kan der indsamles data for at se, om det virker! Send et simuleret EKG gennem kredsløbet ved 1 Hz. Resultatet skal være et rent EKG -signal, hvor QRS -komplekset, P -bølgen og T -bølgen tydeligt kan ses. Pulsen bør også vise 60 slag i minuttet (bpm). For yderligere at teste kredsløbet og LabVIEW -opsætningen skal du ændre frekvensen til 1,5 Hz og 0,5 Hz. Pulsen skal ændres til henholdsvis 90 bpm og 30 bpm.

For at få langsommere puls vist nøjagtigt, skal du muligvis justere DAQ -indstillingerne for at vise flere bølger pr. Graf. Dette kan gøres ved at øge antallet af prøver.

Hvis du vælger at teste enheden på et menneske, skal du sørge for, at den strømforsyning, du bruger til forstærkere, begrænser strømmen til 0,015 mA! Der er flere acceptable blykonfigurationer, men vi valgte at placere den positive elektrode på venstre ankel, den negative elektrode på højre håndled og jordelektroden på højre ankel som set på det vedhæftede billede.

Ved hjælp af nogle grundlæggende kredsløbskoncepter og vores viden om det menneskelige hjerte har vi vist dig, hvordan du opretter en sjov og nyttig enhed. Vi håber du har nydt vores tutorial!