Elektrokardiogram (EKG) krets: 7 steg

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

Obs! 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 rätt isoleringsteknik.

Vi är två studenter i biomedicinsk teknik och efter att ha gått vår första kretslektion var vi ganska upphetsade och bestämde oss för att använda grunderna vi lärde oss för att göra något användbart: visa ett EKG och läsa pulsen. Detta skulle vara den mest komplexa krets vi någonsin har byggt!

Lite bakgrund på ett EKG:

Många elektriska apparater används för att mäta och registrera biologisk aktivitet i människokroppen. En sådan enhet är elektrokardiogrammet, som mäter de elektriska signalerna som produceras av hjärtat. Dessa signaler ger objektiv information om hjärtats struktur och funktion. EKG utvecklades först 1887 och gav läkare ett nytt sätt att diagnostisera hjärtkomplikationer. EKG kan detektera hjärtrytm, hjärtfrekvens, hjärtinfarkt, otillräcklig blod- och syretillförsel till hjärtat och strukturella abnormiteter. Med hjälp av enkel kretsdesign kan ett EKG göras som kan övervaka alla dessa saker.

Steg 1: Material

Bygga kretsen

Grundläggande material som behövs för att bygga kretsen visas i bilder. De inkluderar:

• Bakbord

• Operativa förstärkare

  • Alla op -förstärkare som används i denna krets är LM741.
  • Mer information finns i databladet:
• Motstånd
• Kondensatorer
• Trådar

• Fästelektroder

  Dessa behövs bara om du bestämmer dig för att prova kretsen på en riktig person

Programvara som används inkluderar:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab eller PSpice för simuleringar för att kontrollera värden

• Excel

  Detta rekommenderas starkt om du behöver ändra några egenskaper hos din krets. Du kan också behöva spela med siffrorna tills du hittar resistor- och kondensatorvärden som är tillgängliga. Penn-och-papper-beräkningar avskräcks för den här! Vi har bifogat våra kalkylbladberäkningar för att ge en uppfattning

Testar kretsen

Du behöver också större elektronisk utrustning:

• DC -strömförsörjning
• DAQ -kort för att ansluta kretsen till LabVIEW
• Funktionsgenerator för testkrets
• Oscilloskop för testkrets

Steg 2: Instrumentförstärkare

Varför behöver vi det:

Vi kommer att bygga en instrumentförstärkare för att förstärka den lilla amplituden som mäts från kroppen. Genom att använda två förstärkare i vårt första steg kan vi avbryta bruset som skapas av kroppen (vilket kommer att vara detsamma vid båda elektroderna). Vi kommer att använda två steg med ungefär lika stor vinst - detta skyddar användaren om systemet är anslutet till en person genom att förhindra att all vinst sker på ett ställe. Eftersom den normala amplituden för en EKG -signal är mellan 0,1 och 5 mV, vill vi att förstärkningen för instrumentförstärkaren ska vara cirka 100. En acceptabel tolerans för förstärkningen är 10%.

Hur man bygger det:

Med hjälp av dessa specifikationer och ekvationerna i tabellen (bifogade bilder) fann vi att våra motståndsvärden var R1 = 1,8 kiloOhms, R2 = 8,2 kiloOhms, R3 = 1,5 kiloOhms och R4 = 15 kiloOhms. K1 är förstärkningen för det första steget (OA1 och OA2), och K2 är förstärkningen för det andra steget (OA3). Lika kapacitans -förbikopplingskondensatorer används på strömförsörjningarna till driftförstärkarna för att avlägsna brus.

Så här testar du det:

Varje signal som matas in i instrumentförstärkaren bör förstärkas med 100. Med dB = 20log (Vout/Vin) betyder detta ett förhållande på 40 dB. Du kan simulera detta i PSpice eller CircuitLab, eller testa den fysiska enheten, eller båda!

Den bifogade oscilloskopbilden visar en vinst på 1000. För ett riktigt EKG är detta för högt!

Steg 3: Hakfilter

Varför behöver vi det:

Vi kommer att använda ett hackfilter för att ta bort 60 Hz -bruset som finns i alla strömförsörjningar i USA.

Hur man bygger det:

Vi kommer att ställa in kvalitetsfaktorn Q till 8, vilket ger en acceptabel filtreringsutmatning samtidigt som komponentvärdena hålls inom ett genomförbart intervall. Vi ställer också in kondensatorns värde till 0,1 μF så att beräkningar endast påverkar motstånden. Motståndsvärdena beräknade och använda kan ses i tabellen (i bilder) eller nedan

• Q = w/B

  ställ Q till 8 (eller välj ditt eget baserat på ditt eget behov)

• w = 2*pi*f

  använd f = 60 Hz

• C

  inställd på 0,1 uF (eller välj ditt eget värde från tillgängliga kondensatorer)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Beräkna. Vårt värde är 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Beräkna. Vårt värde är 424,4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Beräkna. Vårt värde är 1,65 kohm

Så här testar du det:

Notfiltret ska passera alla frekvenser oförändrade förutom de runt 60 Hz. Detta kan kontrolleras med ett AC -svep. Ett filter med en förstärkning på -20 dB vid 60 Hz anses vara bra. Du kan simulera detta i PSpice eller CircuitLab, eller testa den fysiska enheten, eller båda!

Denna typ av hackfilter kan generera ett bra hack i det simulerade AC -svepet, men ett fysiskt test visade att våra ursprungliga värden genererade ett hack med en lägre frekvens än avsett. För att åtgärda detta stötte vi upp R2 med cirka 25 kohm.

Oscilloskopbilden visar att filtret kraftigt minskar insignalens storlek vid 60 Hz. Diagrammet visar ett AC -svep för ett hackfilter av hög kvalitet.

Steg 4: Lågpassfilter

Varför behöver vi det:

Den sista etappen av enheten är ett aktivt lågpassfilter. EKG -signalen består av många olika vågformer, som var och en har sin egen frekvens. Vi vill fånga alla dessa, utan högfrekvent brus. Standardavstängningsfrekvensen för EKG -bildskärmar på 150 Hz väljs. (Högre cutoffs väljs ibland för att övervaka specifika hjärtproblem, men för vårt projekt kommer vi att använda en normal cutoff.)

Om du vill skapa en enklare krets kan du också använda ett passivt lågpassfilter. Detta kommer inte att inkludera en op -förstärkare och består bara av ett motstånd i serie med en kondensator. Utgångsspänningen mäts över kondensatorn.

Hur man bygger det:

Vi kommer att utforma det som ett andra ordens Butterworth -filter, som har koefficienterna a och b lika med 1.414214 respektive 1. Genom att ställa in förstärkningen till 1 gör driftförstärkaren till en spänningsföljare. De valda ekvationerna och värdena visas i tabellen (i bilder) och nedan.

• w = 2*pi*f

  set f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Beräkna. Vårt värde är 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Beräkna. Vårt värde är 0,033 uF

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

  Beräkna. Vårt värde är 18.836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Beräkna. Vårt värde är 26.634 kohm

Så här testar du det:

Filtret bör passera frekvenser under gränsvärdet oförändrat. Detta kan testas med ett AC -svep. Du kan simulera detta i PSpice eller CircuitLab, eller testa den fysiska enheten, eller båda!

Oscilloskopbilden visar filterets svar vid 100 Hz, 150 Hz och 155 Hz. Vår fysiska krets hade en cutoff närmare 155 Hz, visat med -3 dB -förhållandet.

Steg 5: Högpassfilter

Varför behöver vi det:

Högpassfiltret används så att frekvenser under ett visst gränsvärde inte registreras, så att en ren signal kan passera. Avstängningsfrekvensen väljs till 0,5 Hz (ett standardvärde för EKG-monitorer).

Hur man bygger det:

Motstånds- och kondensatorvärdena som behövs för att uppnå detta ses nedan. Vårt faktiska motstånd som användes var 318,2 kohm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • set f = 0,5 Hz och C = 1 uF
  • Beräkna R. Vårt värde är 318.310 kohm

Så här testar du det:

Filtret bör passera frekvenser ovanför gränsvärdet oförändrat. Detta kan testas med ett AC -svep. Du kan simulera detta i PSpice eller CircuitLab, eller testa den fysiska enheten, eller båda!

Steg 6: Konfigurera LabVIEW

Flödesschemat beskriver designkonceptet för LabVIEW -delen av projektet som registrerar signalen med hög samplingsfrekvens och visar hjärtfrekvensen (BPM) och EKG. Vår LabView -krets innehåller följande komponenter: DAQ -assistent, indexmatris, aritmetiska operatorer, toppdetektering, numeriska indikatorer, vågformsgraf, förändring i tid, max/min identifierare och talkonstanter. DAQ -assistenten är inställd på att ta kontinuerliga sampel med en hastighet av 1 kHz, med antalet samplingar ändrade mellan 3 000 och 5 000 samplar för toppdetektering och signalklarhet.

Håll muspekaren över de olika komponenterna i kretsschemat för att läsa var i LabVIEW du hittar dem!

Steg 7: Samla in data

Nu när kretsen har monterats kan data samlas in för att se om det fungerar! Skicka ett simulerat EKG genom kretsen vid 1 Hz. Resultatet ska vara en ren EKG -signal där QRS -komplexet, P -våg och T -våg kan ses tydligt. Pulsen bör också visa 60 slag per minut (bpm). För att ytterligare testa kretsen och LabVIEW -inställningen, ändra frekvensen till 1,5 Hz och 0,5 Hz. Pulsen bör ändras till 90 respektive 30 slag per minut.

För att långsammare hjärtfrekvens ska visas korrekt kan du behöva justera DAQ -inställningarna för att visa fler vågor per graf. Detta kan göras genom att öka antalet prover.

Om du väljer att testa enheten på en människa, se till att strömförsörjningen som du använder för förstärkarna begränsar strömmen till 0,015 mA! Det finns flera acceptabla ledningskonfigurationer men vi valde att placera den positiva elektroden på vänster fotled, den negativa elektroden på höger handled och jordelektroden på höger fotled som visas på den bifogade bilden.

Med hjälp av några grundläggande kretsbegrepp och vår kunskap om det mänskliga hjärtat har vi visat dig hur du skapar en rolig och användbar enhet. Vi hoppas att du gillade vår handledning!