Elektrokardiogrammi (EKG) ahel: 7 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:50

Märkus: see ei ole meditsiiniseade. See on mõeldud ainult hariduslikel eesmärkidel, kasutades simuleeritud signaale. Kui kasutate seda vooluringi tegelikes EKG mõõtmistes, veenduge, et vooluahel ja vooluahela-seadme ühendused kasutavad õigeid eraldusvõtteid.

Oleme biomeditsiinitehnika eriala kaks tudengit ja pärast esimese vooluringide klassi läbimist olime üsna elevil ja otsustasime kasutada õpitud põhitõdesid millegi kasuliku tegemiseks: EKG kuvamiseks ja südame löögisageduse lugemiseks. See oleks kõige keerukam ring, mille oleme seni ehitanud!

Mõned taustad EKG -st:

Inimese bioloogilise aktiivsuse mõõtmiseks ja registreerimiseks kasutatakse paljusid elektriseadmeid. Üks selline seade on elektrokardiogramm, mis mõõdab südame poolt tekitatud elektrilisi signaale. Need signaalid annavad objektiivset teavet südame struktuuri ja funktsiooni kohta. EKG töötati esmakordselt välja 1887. aastal ja see andis arstidele uue võimaluse südame tüsistuste diagnoosimiseks. EKG abil saab tuvastada südame rütmi, südame löögisagedust, südameatakke, südame ebapiisavat vere- ja hapnikuvarustust ning struktuurseid kõrvalekaldeid. Kasutades lihtsat vooluringi, saab teha EKG, mis jälgib kõiki neid asju.

Samm: materjalid

Ringkonnakohtu ehitamine

Vooluahela ehitamiseks vajalikud põhimaterjalid on näidatud piltidel. Nad sisaldavad:

• Leivalaud

• Operatiivvõimendid

  • Kõik selles vooluringis kasutatavad võimendid on LM741.
  • Lisateavet leiate andmelehelt:
• Takistid
• Kondensaatorid
• Juhtmed

• Kleepuvad elektroodid

  Neid on vaja ainult siis, kui otsustate vooluringi reaalse inimese peal proovida

Kasutatav tarkvara sisaldab:

• LabVIEW 2016
• Väärtuste kontrollimiseks simulatsioonide jaoks CircuitLab või PSpice

• Excel

  See on väga soovitatav juhul, kui peate oma vooluahela mis tahes omadusi muutma. Samuti peate võib -olla numbritega mängima, kuni leiate takistite ja kondensaatorite väärtused, mis on kergesti kättesaadavad. Pliiatsi ja paberi arvutused ei sobi selle jaoks! Oleme idee andmiseks lisanud arvutustabeli arvutused

Vooluahela testimine

Teil on vaja ka suuremaid elektroonikaseadmeid:

• Alalisvoolu toide
• DAQ -plaat ahela ühendamiseks LabVIEW -ga
• Funktsioonigeneraator vooluahela testimiseks
• Ostsilloskoop vooluringi testimiseks

2. samm: mõõteriistade võimendi

Miks me seda vajame:

Ehitame mõõteriistade võimendi, et võimendada kehast mõõdetud väikest amplituudi. Kahe võimendi kasutamine meie esimeses etapis võimaldab meil tühistada keha tekitatud müra (mis on mõlemal elektroodil sama). Kasutame kahte umbes võrdse võimenduse etappi - see kaitseb kasutajat, kui süsteem on inimesega ühendatud, vältides kogu kasu ühes kohas toimumist. Kuna EKG signaali tavaline amplituud on vahemikus 0,1 kuni 5 mV, soovime, et mõõteriistade võimendi võimendus oleks umbes 100. Võimenduse lubatud tolerants on 10%.

Kuidas seda ehitada:

Kasutades neid spetsifikatsioone ja tabelis toodud võrrandeid (lisatud pildid), leidsime, et meie takisti väärtused on R1 = 1,8 kiloOhms, R2 = 8,2 kiloOhms, R3 = 1,5 kiloOhm ja R4 = 15 kiloOhm. K1 on esimese astme võimendus (OA1 ja OA2) ja K2 teise astme võimendus (OA3). Müra eemaldamiseks kasutatakse operatsioonivõimendite toiteallikates võrdse mahtuvusega möödavoolukondensaatoreid.

Kuidas seda testida:

Mis tahes signaali, mis antakse mõõteriistade võimendisse, tuleks võimendada 100 -ga. Kasutades dB = 20log (Vout/Vin), tähendab see suhet 40 dB. Saate seda simuleerida PSpice'is või CircuitLabis või testida füüsilist seadet või mõlemat!

Lisatud ostsilloskoobi pilt näitab võimendust 1000. Tõelise EKG puhul on see liiga kõrge!

3. samm: sälgufilter

Miks me seda vajame:

Kasutame sälgufiltrit, et eemaldada 60 Hz müra, mis esineb kõigis Ameerika Ühendriikide toiteallikates.

Kuidas seda ehitada:

Seame kvaliteediteguriks Q 8, mis tagab vastuvõetava filtreerimisväljundi, hoides komponentide väärtused teostatavas vahemikus. Samuti seadsime kondensaatori väärtuseks 0,1 μF, nii et arvutused mõjutavad ainult takistid. Arvutatud ja kasutatud takisti väärtused on näha tabelis (piltidel) või allpool

• Q = w/B

  määrake Q väärtusele 8 (või valige oma vajaduste põhjal oma)

• w = 2*pi*f

  kasutage f = 60 Hz

• C

  seadistage 0,1 uF (või valige oma väärtus olemasolevate kondensaatorite hulgast)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Arvutama. Meie väärtus on 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Arvutama. Meie väärtus on 424,4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Arvutama. Meie väärtus on 1,65 kohm

Kuidas seda testida:

Sälkfilter peaks läbima kõik sagedused muutumatuna, välja arvatud need, mis on umbes 60 Hz. Seda saab kontrollida vahelduvvoolu pühkimisega. Filtrit, mille võimendus 60 Hz juures on -20 dB, peetakse heaks. Saate seda simuleerida PSpice'is või CircuitLabis või testida füüsilist seadet või mõlemat!

Selline sälkfilter võib simuleeritud vahelduvvoolu pühkimisel tekitada hea sälgu, kuid füüsiline test näitas, et meie esialgsed väärtused tekitasid sälgu kavandatust madalamal sagedusel. Selle parandamiseks tõstsime R2 umbes 25 kohmi võrra.

Ostsilloskoobi pilt näitab, et filter vähendab oluliselt 60 Hz sagedusel sisendsignaali suurust. Graafik näitab kõrgekvaliteedilise sälgufiltri vahelduvvoolu pühkimist.

Samm: madalpääsfilter

Miks me seda vajame:

Seadme viimane etapp on aktiivne madalpääsfilter. EKG signaal koosneb paljudest erinevatest lainekujudest, millest igaühel on oma sagedus. Me tahame neid kõiki jäädvustada ilma kõrgsagedusliku mürata. EKG monitoride jaoks on valitud standardne väljalülitussagedus 150 Hz. (Mõningate südameprobleemide jälgimiseks valitakse mõnikord kõrgemaid piirväärtusi, kuid meie projekti puhul kasutame tavalist piirväärtust.)

Kui soovite lihtsamat vooluringi teha, võite kasutada ka passiivset madalpääsfiltrit. See ei sisalda op -võimendit ja koosneb ainult kondensaatoriga järjestikku ühendatud takistist. Väljundpinget mõõdetakse üle kondensaatori.

Kuidas seda ehitada:

Kavandame selle teise järgu Butterworthi filtriks, mille koefitsiendid a ja b on vastavalt 1,414214 ja 1. Võimendi seadmine väärtuseks 1 muudab operatsioonivõimendi pinge järgijaks. Valitud võrrandid ja väärtused on toodud tabelis (piltidel) ja allpool.

• w = 2*pi*f

  seade f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Arvutama. Meie väärtus on 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Arvutama. Meie väärtus on 0,033 uF

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

  Arvutama. Meie väärtus on 18,836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Arvutama. Meie väärtus on 26,634 kohm

Kuidas seda testida:

Filter peab muutumatult läbima piirist madalamaid sagedusi. Seda saab testida vahelduvvoolu pühkimisega. Saate seda simuleerida PSpice'is või CircuitLabis või testida füüsilist seadet või mõlemat!

Ostsilloskoobi pilt näitab filtri reaktsiooni sagedustel 100 Hz, 150 Hz ja 155 Hz. Meie füüsilise vooluahela katkestus oli lähemal 155 Hz, mida näitab -3 dB suhe.

5. samm: kõrgpääsfilter

Miks me seda vajame:

Kõrgpääsfiltrit kasutatakse selleks, et teatud piirväärtusest madalamaid sagedusi ei registreeritaks, võimaldades puhta signaali läbimist. Lülitussageduseks on valitud 0,5 Hz (EKG-monitoride standardväärtus).

Kuidas seda ehitada:

Selle saavutamiseks vajalikud takisti ja kondensaatori väärtused on toodud allpool. Meie tegelik takistus oli 318,2 kohm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • määratud f = 0,5 Hz ja C = 1 uF
  • Arvuta R. Meie väärtus on 318,310 kohm

Kuidas seda testida:

Filter peab muutumatult läbima sagedusi, mis ületavad piirväärtust. Seda saab testida vahelduvvoolu pühkimisega. Saate seda simuleerida PSpice'is või CircuitLabis või testida füüsilist seadet või mõlemat!

6. samm: LabVIEW seadistamine

Voodiagramm esitab projekti LabVIEW osa kujunduskontseptsiooni, mis salvestab signaali suure proovivõtu sagedusega ning kuvab südame löögisageduse (BPM) ja EKG. Meie LabView ahel sisaldab järgmisi komponente: DAQ assistent, indeksmassiiv, aritmeetilised operaatorid, piigi tuvastamine, numbrilised indikaatorid, lainekuju graafik, aja muutus, max/min identifikaator ja arvukonstandid. DAQ assistent on seadistatud võtma pidevaid proove sagedusega 1 kHz, kusjuures proovide arv on piigi tuvastamise ja signaali selguse huvides muutunud 3000 ja 5000 proovi vahel.

Hõljutage lülitusskeemi erinevate komponentide kohal, et lugeda, kust LabVIEW -s neid leida!

Samm: andmete kogumine

Nüüd, kui vooluring on kokku pandud, saab koguda andmeid, et näha, kas see töötab! Saatke simuleeritud EKG läbi vooluahela sagedusega 1 Hz. Tulemuseks peaks olema puhas EKG -signaal, kus on selgelt näha QRS -kompleks, P -laine ja T -laine. Samuti peaks pulss näitama 60 lööki minutis (lööki minutis). Vooluahela ja LabVIEW seadistuse täiendavaks testimiseks muutke sageduseks 1,5 Hz ja 0,5 Hz. Südame löögisagedus peaks muutuma vastavalt 90 löögiks minutis ja 30 löögiks minutis.

Aeglasema südame löögisageduse täpseks kuvamiseks peate võib -olla kohandama DAQ seadeid, et graafiku kohta oleks rohkem laineid. Seda saab teha proovide arvu suurendamisega.

Kui otsustate seadet inimese peal testida, veenduge, et töövõimendite jaoks kasutatav toiteallikas piirab voolu väärtusel 0,015 mA! On mitmeid vastuvõetavaid juhtmestiku konfiguratsioone, kuid me otsustasime paigutada positiivse elektroodi vasakule pahkluule, negatiivse elektroodi paremale randmele ja maanduselektroodi paremale pahkluule, nagu on näha lisatud pildil.

Kasutades mõningaid põhilisi vooluahela kontseptsioone ja oma teadmisi inimese südamest, oleme näidanud teile, kuidas luua lõbus ja kasulik seade. Loodame, et teile meeldis meie õpetus!