EKG och pulsmätare: 7 steg (med bilder)

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

ANMÄRKNING: 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.

Ett av de viktigaste diagnostiska verktygen som används för att upptäcka dessa tillstånd är elektrokardiogrammet (EKG). Ett elektrokardiogram fungerar genom att spåra den elektriska impulsen genom ditt hjärta och överföra den tillbaka till maskinen [1]. Signalen tas upp från elektroder placerade på kroppen. Placering av elektroderna är avgörande för att fånga upp de fysiologiska signalerna eftersom de fungerar genom att registrera skillnaden i potential över hela kroppen. Standardplaceringen av elektroder är att använda Einthoven -triangeln. Det är här en elektrod placeras på höger arm, vänster arm och vänster ben. Vänster ben fungerar som en jord för elektroderna och det tar upp frekvensbruset i kroppen. Den högra armen har en negativ elektrod och den vänstra har en positiv elektrod för att beräkna potentialskillnaden över bröstet och därför plocka upp den elektriska energin från hjärtat [2]. Syftet med detta projekt var att skapa en enhet som framgångsrikt kan förvärva en EKG -signal och tydligt återge signalen utan brus och med tillägg av en pulsmätning.

Steg 1: Material och verktyg

• Olika motstånd och kondensatorer
• Bakbord
• Funktionsgenerator
• Oscilloskop
• DC -strömförsörjning
• Op-förstärkare
• Dator med LABView installerat
• BNC -kablar
• DAQ -assistent

Steg 2: Bygg instrumentförstärkare

För att förstärka den bioelektriska signalen tillräckligt bör den totala förstärkningen för tvåstegsinstrumentförstärkaren vara 1000. Varje steg multipliceras för att få den totala förstärkningen och ekvationerna som används för att beräkna de enskilda stegen visas nedan.

Steg 1 Förstärkning: K1 = 1+2*R2/R1 Steg 2 Förstärkning: K2 = -R4/R3

Med hjälp av ovanstående ekvationer var motståndsvärdena som vi använde R1 = 10kΩ, R2 = 150kΩ, R3 = 10kΩ och R4 = 33kΩ. För att säkerställa att dessa värden ger önskad utgång kan du simulera det online eller testa det med ett oscilloskop efter att du byggt den fysiska förstärkaren.

Efter att du har anslutit de valda motstånden och op-förstärkarna i brödbrädan måste du driva op-förstärkarna ± 15V från en likström. Anslut sedan funktionsgeneratorn till ingången till instrumentförstärkaren och oscilloskopet till utgången.

Bilden ovan visar att den färdiga instrumentförstärkaren kommer att se ut i brödbrädan. För att kontrollera att den fungerar som den ska, ställ in funktionsgeneratorn för att producera en sinusvåg vid 1 kHz med en topp till topp -amplitud på 20 mV. Utsignalen från förstärkaren på oscilloskopet bör ha en topp till topp -amplitud på 20 V, eftersom det finns en förstärkning på 1000, om det fungerar korrekt.

Steg 3: Bygg notch -filter

På grund av bruset i kraftledningen behövdes ett filter för att filtrera bort buller vid 60Hz, vilket är bruset i kraftledningen i USA. Ett hackfilter användes eftersom det filtrerar en specifik frekvens. Följande ekvationer användes för att beräkna motståndsvärdena. En kvalitativ faktor (Q) på 8 fungerade bra och kondensatorvärden på 0.1uF valdes för enkel konstruktion. Frekvensen i ekvationerna (avbildad som w) är hackfrekvensen 60Hz multiplicerad med 2π.

R1 = 1/(2QwC)

R2 = 2Q/(wC)

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

Med hjälp av ovanstående ekvationer var motståndsvärdena som vi använde R1 = 1,5kΩ, R2 = 470kΩ och R3 = 1,5kΩ. För att säkerställa att dessa värden ger önskad utgång kan du simulera det online eller testa det med ett oscilloskop efter att du byggt den fysiska förstärkaren.

Bilden ovan visar hur det färdiga hackfilteret kommer att se ut i panelen. Inställningen för op-ampere är densamma som instrumentförstärkaren och funktionsgeneratorn bör nu ställas in för att producera en sinusvåg vid 1 kHz med en topp till topp-amplitud på 1V. Om du utför ett AC -svep bör du kunna verifiera att frekvenser runt 60Hz filtreras bort.

Steg 4: Bygg ett lågpassfilter

För att filtrera bort högfrekvensbruset som inte är relaterat till EKG skapades ett lågpassfilter med en gränsfrekvens 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)

Med hjälp av ovanstående ekvationer var motståndsvärdena som vi använde R1 = 12kΩ, R2 = 135kΩ, C1 = 0,01 µF och C2 = 0,068 µF. Värdena för R3 och R4 hamnade på noll eftersom vi ville att filtrets förstärkning, K, skulle vara noll, därför använde vi trådar istället för motstånd här i den fysiska uppställningen. För att säkerställa att dessa värden ger önskad utgång kan du simulera det online eller testa det med ett oscilloskop efter att du byggt den fysiska förstärkaren.

För att bygga det fysiska filtret, anslut de valda motstånden och kondensatorerna till op-amp som visas i schemat. Slå på förstärkaren och anslut funktionsgeneratorn och oscilloskopet på samma sätt som beskrivs i föregående steg. Ställ in funktionsgeneratorn för att producera en sinusvåg vid 150Hz och med en topp-till-topp-amplitud på cirka 1 V. Eftersom 150Hz ska vara avstängningsfrekvensen, om filtret fungerar korrekt, bör storleken vara 3dB vid denna frekvens. Detta kommer att berätta om filtret är korrekt installerat.

Steg 5: Anslut alla komponenter tillsammans

Efter att ha byggt varje komponent och testat dem separat kan de alla kopplas i serie. Anslut funktionsgeneratorn till ingången på instrumentförstärkaren och anslut sedan utgången till ingången på hackfilteret. Gör detta igen genom att ansluta utmatningen från hackfiltret till ingången på lågpassfiltret. Utgången från lågpassfiltret ska sedan anslutas till oscilloskopet.

Steg 6: Konfigurera LabVIEW

EKG -hjärtslagsvågformen fångades sedan med hjälp av en DAQ -assistent och LabView. En DAQ -assistent samlar in analoga signaler och definierar samplingsparametrar. Anslut DAQ -assistenten till funktionsgeneratorn som matar ut en arb -hjärtsignal och till datorn med LabView. Konfigurera LabView enligt schemat som visas ovan. DAQ -assistenten tar in hjärtvågan från funktionsgeneratorn. Lägg till vågformsdiagrammet till din LabView -inställning också för att se diagrammet. Använd numeriska operatorer för att ställa in ett tröskelvärde för det maximala värdet. I den visade schemat användes 80%. Toppanalys bör också användas för att hitta topplatser och koppla dem till förändringen i tid. Multiplicera toppfrekvensen med 60 för att beräkna slag per minut och detta nummer matades ut bredvid grafen.

Steg 7: Du kan nu spela in ett EKG

[1]”Elektrokardiogram - Texas Heart Institute Heart Information Center.” [Uppkopplad]. Tillgänglig: https://www.texasheart.org/HIC/Topics/Diag/diekg.cfm. [Åtkomst: 09-dec-2017].

[2] "EKG Leads, Polarity och Einthovens triangel - Studentfysiologen." [Uppkopplad]. Tillgänglig: https://thephysiologist.org/study-materials/the-ecg-leads-polarity-and-einthovens-triangle/. [Åtkomst: 10-dec-2017].