Gör ditt eget elektrokardiogram (EKG): 6 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

LÄGGA MÄRKE TILL:

Detta är inte en medicinsk utrustning. Detta är endast för utbildningsändamål, med hjälp av simulerade signaler. Om du använder denna krets för riktiga EKG-mätningar, se till att kretsen och krets-till-instrumentanslutningarna använder batteriström och andra korrekta isoleringstekniker.

[Bild tagen från

Steg 1: Känn dina saker

Elektrokardiogrammet (EKG) är ett viktigt verktyg som används av läkare för att övervaka hjärtats elektriska aktivitet. Det är användbart för att fånga allt från onormala hjärtrytmer till diagnos av värmesvikt. Genom att följa denna instruerbara, kommer du att kunna bygga en enhet som visar elektrokardiogrammet för en person som endast använder grundläggande breadboarding -färdigheter och allmän elektronisk laboratorieutrustning. När du väl har bra signalutmatning kan du använda samma signal för att beräkna hjärtfrekvens eller annan intressant mätvärde med en mikrokontroller.

-

Om du inte vet vad ett EKG är, är det helt enkelt en registrering av hjärtats aktivitet. På grund av hjärtats sammandragningar kan man registrera förändringen i spänning genom att placera elektroder på huden och bearbeta signalen. Plotten för dessa spänningar över tiden kallas ett elektrokardiogram (kort sagt EKG). EKG används vanligtvis för att diagnostisera olika former av hjärtsvikt eller passivt övervaka patientens stress. Ett hälsosamt EKG har specifika egenskaper som är universella mellan människor. (Detta inkluderar en P-våg, Q-våg, R-våg, S-våg, T-våg och ett QRS-komplex.) Jag har tillhandahållit ett förenklat diagram över ett EKG med motsvarande hjärtreaktion.

-

Observera att varje elektrisk händelse som inträffar i hjärtats nerver motsvarar en fysisk händelse som inträffar följaktligen i muskelvävnaden, och medan en del av hjärtat drar ihop sig, slappnar de andra delarna av. På detta sätt är tidpunkten för elektriska signaler mycket viktig i hjärtat, vilket gör ett EKG till ett mycket kraftfullt verktyg för att mäta hjärthälsa.

-

För att vi ska kunna spela in ett verkligt EKG spelar dock många logistiska problem in, till exempel storleken på signalen, mängden buller som kommer från resten av kroppen och mängden buller som kommer från miljön. För att kompensera för detta konstruerar vi en krets som kommer att bestå av tre delar: en differentialförstärkare för att öka storleken på vår signal, ett lågpassfilter för att eliminera högfrekventa signaler, och ett hackfilter för att ta bort 60 Hz brus som finns alltid i byggnader som levereras med växelström. Jag kommer att beskriva klockan av dessa steg i detalj för dig nedan.

[Bild tagen från

Steg 2: Samla dina tillbehör

För detta projekt behöver du:

- 1 stor brödbräda (med 2 eller fler blir dock trevligare)

- 5 generella op-förstärkare

(Jag använde UA741 med +-15 V, se bara till att de du väljer klarar 15 volt annars måste du justera värdena på dina passiva komponenter och du får nöja dig med mindre förstärkning)

Motstånd

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 uppsjö eller tröjor

- En likspänningskälla som kan ge +-15 V

- En funktionsgenerator och oscilloskop (främst för felsökning)

- Minst tre klibbiga elektroder om du planerar att spela in ett verkligt EKG

- Tillräckligt med kablar för att ansluta allt det här tramset

- God förståelse för kretsar, förstärkare och erfarenhet av breadboarding.

Om du precis har en brödbräda för din födelsedag och vill prova att göra något coolt med den, gör åtminstone några enklare konstruktioner innan du provar det här.

-

Steg 3: Bygg differentialförstärkaren

Differentialförstärkaren är det som kommer att förstärka vår inspelade signal till en användbar nivå som ska visas på ett omfång eller en skärm. Denna kretsdesign kommer att ta skillnaden i spänning från de två ingångselektroderna och förstärka den. Detta görs för att minska buller, eftersom vanligt brus mellan elektroderna kommer att elimineras. EKG -signalen varierar i amplitud beroende på placeringen av inspelningselektroderna och individen, men är normalt i storleksordningen några millivolt vid inspelning från handlederna. (Även om det inte är nödvändigt för denna inställning kan signalamplituden ökas genom att placera elektroder på bröstet, men avvägningen är brus från lungrörelser.)

-

Jag har inkluderat en schematisk inställning. Kretsen på bilden bör förstärka din signal ~ 1000 gånger. Du kan behöva justera detta beroende på vilken typ av op-amp du bestämde dig för att använda. Ett snabbt sätt att justera detta är genom att ändra värdet på R1. Genom att halvera värdet på R1, kommer du att fördubbla utgångsförstärkningen och vice versa.

-

Jag antar att de flesta av er kan översätta den här kretsen till brödbrädan, trots det har jag inkluderat ett diagram över panelen för att effektivisera processen och förhoppningsvis minska din felsökningstid. Jag har också inkluderat en bild av UA741 (eller LM741) pinout för din bekvämlighet. (för dina ändamål behöver du inte stift 1, 5 eller 8) V + och V-stiften på op-amp kommer att anslutas till din +15 V respektive -15 V nätaggregat. -15V är inte samma sak som jord! Du kan ignorera kondensatorerna på min brödbräda. De är förbikopplingskondensatorer avsedda att ta bort AC -brus, men i efterhand var det inte värt ansträngningen.

-

Jag rekommenderar att du testar varje steg när du slutför det för att felsöka. Som kretsen visar kan du ansluta en av ingångarna till jord och den andra till en liten likströmskälla för att kontrollera förstärkning. (se till att du matar in <15 mV annars mättar du förstärkarna). Om du behöver minska din vinst för testning, svett inte det, allt över 500-faldig vinst kommer att vara gott för våra ändamål. Dessutom, om du byggde din krets för att ha en vinst på 1000 och den bara visar en vinst på 800, är det inte världens ände, det exakta antalet är icke-kritiskt.

-

Steg 4: Bygg notch -filtret

Nu när vi kan förstärka vår signal, låt oss titta på att städa upp den. Om du kopplade in elektroder till vår krets just nu skulle det troligtvis ha massor av 60 Hz brus. Det eftersom de flesta byggnader är anslutna med 60 Hz växelström som oundvikligen orsakar stora brussignaler. För att åtgärda detta kommer vi att bygga ett 60 Hz hackfilter. Ett hackfilter är utformat för att dämpa mycket specifika frekvenser och lämna andra frekvenser orörda; perfekt för att bli av med 60 Hz brus.

-

Som tidigare har jag inkluderat en bild av kretsschemat, inställning av brödbräda och min egen krets. Som en notering, medan hackfiltret är ett relativt enkelt steg att bygga, tog det längst tid för mig att få arbeta. Min ingång dämpades bra, men vid 63 Hz istället för 60 Hz, vilket inte minskar den. Om du stöter på samma problem rekommenderar jag att du ändrar ditt värde på R14. (Ökande motstånd på R14 minskar din dämpningsfrekvens och vice versa). Om du har en variabel motståndslåda, använd den för att ersätta R14, sedan leka med motståndsvärden för att ta reda på exakt vad som fungerar bäst, eftersom det kommer att vara känsligt för förändringar i storleken på en ohm. Jag slutade med en 175 ohm R14, men i teorin fungerar det bäst att matcha R12.

-

Återigen kan du testa detta steg genom att använda en funktionsgenerator för att mata in en 60 Hz sinusvåg och spela in din utgång på ett oscilloskop. Din utgång bör vara cirka -20 dB eller 10% ingångens amplitud. Som jag sa tidigare kan du kontrollera närliggande frekvenser för optimering.

-

Steg 5: Bygg lågpassfiltret

Som nämnts tidigare är en annan viktig faktor att minska buller från din kropp och vad som helst som zappar rummet du befinner dig i. Ett lågpassfilter är bra på att göra detta eftersom ditt hjärtslag är ganska långsamt när det gäller signaler. Vårt mål med lågpassfiltret är att eliminera alla signaler som innehåller frekvenser högre än ditt EKG. För att göra detta måste vi ange en "gränsfrekvens". I vårt fall, allt ovanför denna frekvens vill vi eliminera, och allt under denna frekvens vill vi behålla. Medan ett hjärtslag uppstår i storleksordningen 1 till 3 Hertz, består de enskilda vågformer som utgör vårt EKG av frekvenser som är mycket högre än detta; nära 1 till 50 Hertz. På grund av detta valde jag en gränsfrekvens på 80 Hz. Den är tillräckligt hög för att behålla alla användbara komponenter i signalen, men bryter fortfarande bort bruset från HAM -radion som du har i nästa rum.

-

Jag har inga råd om lågpassfiltret, det är väldigt enkelt jämfört med de andra stadierna. På samma sätt som förstärkaren, oroa dig inte för att få en exakt avstängning vid 80 Hz; detta är inte avgörande och kommer inte att hända realistiskt. Ändå bör du kontrollera dess utmatning med en funktionsgenerator. Som tumregel bör en sinusvåg gå igenom filtret orörd vid 10 Hz och ska skäras till hälften med 130 Hz.

-

Steg 6: Anslut det

Om du har kommit så långt, grattis! Du har alla komponenter i ett EKG. Allt du behöver göra är att ansluta dem, slå på elektroderna och koppla utmatningen till oscilloskopet för att se ditt EKG!

-

Om du är osäker på hur du sätter på elektroder rekommenderar jag att du klistrar in ingångselektroderna på dina handled (en på varje handled) och ansluter en jordelektrod till ditt ben (bilden kan hjälpa.) Som en påminnelse bör varje ingångselektrod gå en positiv ingång på op-ampere i förstärkaren. (Den är endast jordad i kretsschemat för simuleringsändamål)

-

När du är ansluten, koppla in utgången från lågpassfiltret till ett oscilloskop och var stolt över dig själv! Få alla dina barn att sätta på sig elektroder och titta på deras hjärtslag. Fan, låt dina grannar komma och prova. Om du känner dig extra motiverad kopplar du ut utgången till en mikrokontroller för att beräkna hjärtfrekvensen från singeln. (Du vill förmodligen sänka förstärkningen innan du gör detta, det kan steka brädan du använder). Hur som helst, grattis till bygget och lyckligt!

[Bild tagen från