EKG og pulsmåler: 7 trin (med billeder)

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.

Et af de vigtigste diagnostiske værktøjer, der bruges til at detektere disse tilstande, er elektrokardiogrammet (EKG). Et elektrokardiogram virker ved at spore den elektriske impuls gennem dit hjerte og sende det tilbage til maskinen [1]. Signalet opsamles fra elektroder placeret på kroppen. Placering af elektroderne er afgørende for at opfange de fysiologiske signaler, da de virker ved at registrere forskellen i potentiale på tværs af kroppen. Standardplaceringen af elektroder er at bruge Einthoven -trekanten. Det er her, en elektrode er placeret på højre arm, venstre arm og venstre ben. Det venstre ben fungerer som en jord for elektroderne, og det opfanger frekvensstøjen i kroppen. Højre arm har en negativ elektrode, og venstre har en positiv elektrode til at beregne potentialforskellen over brystet og derfor opfange den elektriske energi fra hjertet [2]. Målet med dette projekt var at skabe en enhed, der med succes kan erhverve et EKG -signal og klart gengive signalet uden støj og med tilføjelse af en pulsmåling.

Trin 1: Materialer og værktøjer

• Forskellige modstande og kondensatorer
• Brødbræt
• Funktionsgenerator
• Oscilloskop
• DC strømforsyning
• Op-forstærkere
• Computer med LABView installeret
• BNC kabler
• DAQ assistent

Trin 2: Byg instrumentforstærker

For at forstærke det bioelektriske signal tilstrækkeligt bør den samlede forstærkning af to -trins instrumenteringsforstærkeren være 1000. Hvert trin multipliceres for at få den samlede forstærkning, og ligningerne, der bruges til at beregne de enkelte trin, er vist nedenfor.

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

Ved hjælp af ovenstående ligninger var de modstandsværdier, vi brugte, R1 = 10kΩ, R2 = 150kΩ, R3 = 10kΩ og R4 = 33kΩ. For at sikre, at disse værdier giver det ønskede output, kan du simulere det online, eller du kan teste det ved hjælp af et oscilloskop efter opbygning af den fysiske forstærker.

Efter tilslutning af de valgte modstande og op-ampere i brødbrættet skal du forsyne op-ampere ± 15V fra en jævnstrømforsyning. Tilslut derefter funktionsgeneratoren til indgangen på instrumentforstærkeren og oscilloskopet til udgangen.

Billedet ovenfor viser, at den færdige instrumenteringsforstærker vil se ud på brødbrættet. For at kontrollere, at det fungerer korrekt, skal funktionsgeneratoren indstilles til at producere en sinusbølge ved 1 kHz med en spids til spids amplitude på 20 mV. Outputtet fra forstærkeren på oscilloskopet bør have en top til top amplitude på 20 V, da der er en gevinst på 1000, hvis den fungerer korrekt.

Trin 3: Byg Notch Filter

På grund af støj fra kraftledningen var der brug for et filter for at filtrere støj ved 60Hz, hvilket er støj fra elledninger i USA. Et hakfilter blev brugt, da det filtrerer en bestemt frekvens. Følgende ligninger blev brugt til at beregne modstandsværdierne. En kvalitativ faktor (Q) på 8 fungerede godt, og kondensatorværdier på 0.1uF blev valgt for at lette konstruktionen. Frekvensen i ligningerne (afbildet som w) er hakfrekvensen 60Hz ganget med 2π.

R1 = 1/(2QwC)

R2 = 2Q/(wC)

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

Ved hjælp af ovenstående ligninger var de modstandsværdier, vi brugte, R1 = 1,5kΩ, R2 = 470kΩ og R3 = 1,5kΩ. For at sikre, at disse værdier giver det ønskede output, kan du simulere det online, eller du kan teste det ved hjælp af et oscilloskop efter opbygning af den fysiske forstærker.

Billedet ovenfor viser, hvordan det færdige hakfilter vil se ud i brødbrættet. Opsætningen til op-ampere er den samme som instrumenteringsforstærkeren, og funktionsgeneratoren skal nu indstilles til at producere en sinusbølge ved 1kHz med en top til top-amplitude på 1V. Hvis du udfører en AC Sweep, skal du være i stand til at kontrollere, at frekvenser omkring 60Hz er filtreret fra.

Trin 4: Byg et lavpasfilter

For at filtrere den højfrekvente støj, der ikke er relateret til EKG, blev der oprettet et lavpasfilter med en afbrydelsesfrekvens 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 hjælp af ovenstående ligninger var de modstandsværdier, vi brugte, R1 = 12kΩ, R2 = 135kΩ, C1 = 0,01 µF og C2 = 0,068 µF. Værdierne for R3 og R4 endte med at være nul, da vi ønskede filterets forstærkning, K, til at være nul, derfor brugte vi ledninger i stedet for modstande her i den fysiske opsætning. For at sikre, at disse værdier giver det ønskede output, kan du simulere det online, eller du kan teste det ved hjælp af et oscilloskop efter opbygning af den fysiske forstærker.

For at bygge det fysiske filter skal du tilslutte de valgte modstande og kondensatorer til op-amp som vist i skematisk. Tænd for forstærkeren, og tilslut funktionsgeneratoren og oscilloskopet på samme måde som beskrevet i de foregående trin. Indstil funktionsgeneratoren til at producere en sinusbølge ved 150Hz og med en spids-til-spids amplitude på ca. 1 V. Da 150Hz skulle være afskæringsfrekvensen, hvis filteret fungerer korrekt, bør størrelsen være 3dB ved denne frekvens. Dette fortæller dig, om filteret er konfigureret korrekt.

Trin 5: Tilslut alle komponenter sammen

Efter at have bygget hver komponent og testet dem separat, kan de alle forbindes i serie. Tilslut funktionsgeneratoren til indgangen på instrumenteringsforstærkeren, og slut derefter output fra den til indgangen på hakfilteret. Gør dette igen ved at forbinde hakfilterets output til lavpassfilterets indgang. Lavpassfilterets output skal derefter oprette forbindelse til oscilloskopet.

Trin 6: Opsæt LabVIEW

EKG -hjerteslagbølgeformen blev derefter fanget ved hjælp af en DAQ -assistent og LabView. En DAQ -assistent indsamler analoge signaler og definerer samplingsparametre. Tilslut DAQ -assistenten til funktionsgeneratoren, der udsender et arb -hjertesignal og til computeren med LabView. Opsæt LabView i henhold til skematikken vist ovenfor. DAQ -assistenten bringer hjertebølgen ind fra funktionsgeneratoren. Tilføj kurveformgrafen til din LabView -opsætning også for at se grafen. Brug numeriske operatorer til at angive en tærskel for den maksimale værdi. I den viste skema blev 80% brugt. Peak -analyse bør også bruges til at finde spidsområder og forbinde dem med ændringen i tid. Multiplicer spidsfrekvensen med 60 for at beregne slagene i minuttet, og dette tal blev udsendt ved siden af grafen.

Trin 7: Du kan nu optage et EKG

[1] “Elektrokardiogram - Texas Heart Institute Heart Information Center.” [Online]. Tilgængelig: https://www.texasheart.org/HIC/Topics/Diag/diekg.cfm. [Adgang: 09-dec-2017].

[2] "EKG Leads, polaritet og Einthovens trekant - Elevfysiologen." [Online]. Tilgængelig: https://thephysiologist.org/study-materials/the-ecg-leads-polarity-and-einthovens-triangle/. [Adgang: 10-dec-2017].