Elektrokardiogram (EKG) áramkör: 7 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:43

Megjegyzés: Ez nem orvosi eszköz. Ez csak oktatási célokat szolgál, szimulált jelek használatával. Ha ezt az áramkört valós EKG-mérésekhez használja, győződjön meg arról, hogy az áramkör és az áramkör-műszer kapcsolatok megfelelő szigetelési technikákat alkalmaznak.

Mi ketten diákok vagyunk az orvostudományi mérnöki szakon, és miután elvégeztük az első áramköri óránkat, nagyon izgatottak voltunk, és úgy döntöttünk, hogy az elsajátított alapokat használjuk, hogy valami hasznosat tegyünk: EKG megjelenítése és pulzusmérés. Ez lenne a legbonyolultabb áramkör, amit eddig építettünk!

Néhány háttér az EKG -ről:

Számos elektromos készüléket használnak az emberi test biológiai aktivitásának mérésére és rögzítésére. Az egyik ilyen eszköz az elektrokardiogram, amely a szív által termelt elektromos jeleket méri. Ezek a jelek objektív információkat adnak a szív szerkezetéről és működéséről. Az EKG -t először 1887 -ben fejlesztették ki, és új módszert adott az orvosoknak a szívbetegségek diagnosztizálására. Az EKG felismeri a szívritmust, a pulzusszámot, a szívrohamokat, a szív nem megfelelő vér- és oxigénellátását, valamint a szerkezeti rendellenességeket. Egyszerű áramköri kialakítással EKG készíthető, amely mindezeket a dolgokat figyelemmel kísérheti.

1. lépés: Anyagok

Az áramkör építése

Az áramkör felépítéséhez szükséges alapanyagok képen láthatók. Tartalmazzák:

• Kenyeretábla

• Műveleti erősítők

  • Az áramkörben használt összes oper erősítő LM741.
  • További információért lásd az adatlapot:
• Ellenállások
• Kondenzátorok
• Vezetékek

• Ragasztható elektródák

  Ezekre csak akkor van szükség, ha úgy dönt, hogy egy igazi személyen próbálja ki az áramkört

A használt szoftver a következőket tartalmazza:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab vagy PSpice szimulációkhoz az értékek ellenőrzéséhez

• Excel

  Ez erősen ajánlott abban az esetben, ha meg kell változtatnia az áramkör bármely jellemzőjét. Lehet, hogy addig is játszania kell a számokkal, amíg meg nem találja az ellenállás és a kondenzátor értékeit, amelyek könnyen elérhetők. A toll-papír számítások nem kedvetek ehhez! Az ötletadás érdekében csatoltuk táblázatkezelő számításainkat

Az áramkör tesztelése

Szüksége lesz néhány nagyobb elektronikus berendezésre is:

• DC tápegység
• DAQ kártya az áramkör LabVIEW -hez való illesztéséhez
• Funkciógenerátor a tesztáramkörhöz
• Oszcilloszkóp az áramkör tesztelésére

2. lépés: Műszeres erősítő

Miért van szükségünk rá:

Építeni fogunk egy műszeres erősítőt a testből mért kis amplitúdó felerősítése érdekében. Két erősítő használata az első szakaszban lehetővé teszi számunkra, hogy megszüntessük a test által keltett zajt (amely mindkét elektródánál azonos lesz). Két, körülbelül azonos nyereségű szakaszt fogunk használni - ez megvédi a felhasználót, ha a rendszer egy személyhez csatlakozik, és megakadályozza, hogy az összes nyereség egy helyen történjen. Mivel az EKG jel normál amplitúdója 0,1 és 5 mV között van, azt szeretnénk, ha a műszererősítő erősítése körülbelül 100 lenne. Az erősítés elfogadható tűrése 10%.

Hogyan kell felépíteni:

Ezen specifikációk és a táblázatban látható egyenletek (mellékelt képek) alapján megállapítottuk, hogy az ellenállás értéke R1 = 1,8 kiloOhms, R2 = 8,2 kiloOhms, R3 = 1,5 kiloOhms és R4 = 15 kiloOhm. K1 az első szakasz erősítése (OA1 és OA2), K2 pedig a második szakasz erősítése (OA3). Az egyenlő kapacitású bypass kondenzátorokat használják a műveleti erősítők tápegységein a zaj eltávolítására.

Hogyan kell tesztelni:

A műszer -erősítőbe táplált jeleket 100 -cal kell erősíteni. A dB = 20log (Vout/Vin) használatával ez 40 dB arányt jelent. Ezt szimulálhatja a PSpice -ben vagy a CircuitLab -ban, vagy tesztelheti a fizikai eszközt, vagy mindkettőt!

A mellékelt oszcilloszkóp képe 1000 nyereséget mutat. Egy valódi EKG -hoz ez túl magas!

3. lépés: Vágásszűrő

Miért van szükségünk rá:

Egy bevágásos szűrőt használunk az Egyesült Államok összes tápegységében lévő 60 Hz -es zaj eltávolítására.

Hogyan kell felépíteni:

A Q minőségi tényezőt 8 -ra állítjuk, ami elfogadható szűrési kimenetet biztosít, miközben az alkatrészértékeket a megvalósítható tartományban tartja. A kondenzátor értékét 0,1 μF értékre állítottuk be, így a számítások csak az ellenállásokat érintik. A számított és használt ellenállásértékek a táblázatban (képeken) vagy az alábbiakban láthatók

• Q = w/B

  állítsa a Q -t 8 -ra (vagy válassza ki a sajátját a saját igényei alapján)

• w = 2*pi*f

  f = 60 Hz

• C

  állítsa 0,1 uF értékre (vagy válassza ki saját értékét a rendelkezésre álló kondenzátorok közül)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Kiszámítja. Értékünk 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Kiszámítja. Értékünk 424,4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Kiszámítja. Értékünk 1,65 kohm

Hogyan kell tesztelni:

A bevágásszűrőnek minden frekvencián változatlanul át kell haladnia, kivéve a 60 Hz körüli frekvenciákat. Ezt AC sepréssel lehet ellenőrizni. A 60 Hz -en -20 dB erősítésű szűrő jónak tekinthető. Ezt szimulálhatja a PSpice -ben vagy a CircuitLab -ban, vagy tesztelheti a fizikai eszközt, vagy mindkettőt!

Ez a fajta bemetszéses szűrő jó bemetszést generálhat a szimulált váltóáramú seprésben, de egy fizikai teszt kimutatta, hogy eredeti értékeink a tervezettnél alacsonyabb frekvencián generáltak egy bevágást. Ennek kijavítása érdekében körülbelül 25 kohm -tal felütöttük az R2 -t.

Az oszcilloszkóp képe azt mutatja, hogy a szűrő nagymértékben csökkenti a bemeneti jel nagyságát 60 Hz -en. A grafikon egy váltakozó áramú söprést mutat a kiváló minőségű bevágásos szűrőhöz.

4. lépés: Aluláteresztő szűrő

Miért van szükségünk rá:

A készülék utolsó szakasza egy aktív aluláteresztő szűrő. Az EKG jel sokféle hullámformából áll, amelyek mindegyikének saját frekvenciája van. Mindezt nagyfrekvenciás zaj nélkül szeretnénk rögzíteni. Az EKG -monitorok 150 Hz -es szabványos határfrekvenciája van kiválasztva. (Néha magasabb határértékeket választanak bizonyos szívproblémák megfigyelésére, de projektünkben normál határértéket használunk.)

Ha egyszerűbb áramkört szeretne létrehozni, használhat passzív aluláteresztő szűrőt is. Ez nem tartalmazza az op erősítőt, és csak egy ellenállásból áll, sorban egy kondenzátorral. A kimeneti feszültséget a kondenzátoron mérik.

Hogyan kell felépíteni:

Másodrendű Butterworth -szűrőként tervezzük, amelynek a és b együtthatója 1,414214 és 1. Az erősítés 1 -re állításával a műveleti erősítő feszültségkövetővé válik. A választott egyenletek és értékek a táblázatban (képeken) és az alábbiakban láthatók.

• w = 2*pi*f

  f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Kiszámítja. Értékünk 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Kiszámítja. Értékünk 0,033 uF

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

  Kiszámítja. Értékünk 18.836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Kiszámítja. Értékünk 26,634 kohm

Hogyan kell tesztelni:

A szűrőnek változatlanul kell áthaladnia a határérték alatti frekvenciákon. Ez tesztelhető váltakozó áramú söpréssel. Ezt szimulálhatja a PSpice -ben vagy a CircuitLab -ban, vagy tesztelheti a fizikai eszközt, vagy mindkettőt!

Az oszcilloszkóp képe a szűrő válaszát mutatja 100 Hz, 150 Hz és 155 Hz frekvencián. A fizikai áramkörünk határértéke közelebb volt a 155 Hz -hez, amit a -3 dB arány mutat.

5. lépés: felüláteresztő szűrő

Miért van szükségünk rá:

A felüláteresztő szűrőt úgy használják, hogy egy bizonyos határérték alatti frekvenciákat nem rögzítenek, így tiszta jelet engednek át. A határfrekvencia 0,5 Hz (az EKG-monitorok standard értéke).

Hogyan kell felépíteni:

Ennek eléréséhez szükséges ellenállás és kondenzátor értékek az alábbiakban láthatók. A tényleges ellenállásunk 318,2 kohm volt.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • halmaz f = 0,5 Hz, és C = 1 uF
  • Számítsa ki R. Az értékünk 318,310 kohm

Hogyan kell tesztelni:

A szűrőnek változatlanul kell áthaladnia a határérték feletti frekvenciákon. Ez tesztelhető váltakozó áramú söpréssel. Ezt szimulálhatja a PSpice -ben vagy a CircuitLab -ban, vagy tesztelheti a fizikai eszközt, vagy mindkettőt!

6. lépés: A LabVIEW beállítása

A folyamatábra bemutatja a projekt LabVIEW részének tervezési koncepcióját, amely nagy mintavételi gyakorisággal rögzíti a jelet, és megjeleníti a pulzusszámot (BPM) és az EKG -t. A LabView áramkörünk a következő összetevőket tartalmazza: DAQ asszisztens, index tömb, számtani operátorok, csúcsérzékelés, numerikus indikátorok, hullámforma grafikon, időbeli változás, max/min azonosító és számállandók. A DAQ asszisztens úgy van beállítva, hogy folyamatos mintákat vegyen 1 kHz -es frekvencián, a minták számát pedig 3000 és 5000 között változtatták a csúcsérzékelés és a jel egyértelműsége érdekében.

Vigye az egérmutatót az áramköri diagram különböző összetevőire, és olvassa el, hol találja meg őket a LabVIEW -ban!

7. lépés: Adatok gyűjtése

Most, hogy az áramkört összeszerelték, adatokat lehet gyűjteni, hogy lássa, működik -e! Küldjön szimulált EKG -t az áramkörön 1 Hz -en. Az eredménynek tiszta EKG -jelnek kell lennie, ahol a QRS komplex, a P hullám és a T hullám jól látható. A pulzusszámnak szintén 60 ütést / percet (bpm) kell megjelenítenie. Az áramkör és a LabVIEW beállítás további teszteléséhez módosítsa a frekvenciát 1,5 Hz -re és 0,5 Hz -re. A pulzusszámnak 90, illetve 30 ütésnek kell lennie.

A lassabb pulzusszám pontos megjelenítéséhez szükség lehet a DAQ beállítások módosítására, hogy több hullám jelenjen meg grafikononként. Ezt a minták számának növelésével lehet elérni.

Ha úgy dönt, hogy a készüléket embereken teszteli, győződjön meg arról, hogy az erősítőhöz használt tápegység korlátozza az áramot 0,015 mA -nél! Számos elfogadható ólomkonfiguráció létezik, de úgy döntöttünk, hogy a pozitív elektródát a bal bokára, a negatív elektródát a jobb csuklóra, és a földelő elektródát a jobb bokára helyezzük, amint az a mellékelt képen látható.

Néhány alapvető áramköri koncepció és az emberi szívre vonatkozó ismereteink segítségével megmutattuk, hogyan lehet szórakoztató és hasznos eszközt létrehozni. Reméljük, tetszett az oktatóanyagunk!