Elektrokardiogram (EKG) stroombaan: 7 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:27

Let wel: dit is nie 'n mediese toestel nie. Dit is slegs vir opvoedkundige doeleindes met behulp van gesimuleerde seine. As u hierdie kring vir werklike EKG-metings gebruik, moet u seker maak dat die stroombaan en die kring-tot-instrumentverbindings die regte isolasie tegnieke gebruik.

Ons is twee studente in biomediese ingenieurswese, en nadat ons ons eerste stroombaanklas gevolg het, was ons baie opgewonde en het ons besluit om die basiese beginsels wat ons geleer het, te gebruik om iets nuttigs te doen: om 'n EKG te wys en die hartklop te lees. Dit sou die mees komplekse stroombaan wees wat ons nog gebou het!

'N Paar agtergronde oor 'n EKG:

Baie elektriese toestelle word gebruik om biologiese aktiwiteit in die menslike liggaam te meet en aan te teken. Een so 'n toestel is die elektrokardiogram, wat die elektriese seine wat deur die hart geproduseer word, meet. Hierdie seine gee objektiewe inligting oor die struktuur en funksie van die hart. Die EKG is die eerste keer in 1887 ontwikkel en het dokters 'n nuwe manier gegee om hartkomplikasies te diagnoseer. EKG's kan hartritme, hartklop, hartaanvalle, onvoldoende bloed- en suurstoftoevoer na die hart en strukturele afwykings opspoor. Met 'n eenvoudige stroombaanontwerp kan 'n EKG gemaak word wat al hierdie dinge kan monitor.

Stap 1: materiaal

Bou die kring

Basiese materiaal wat nodig is om die stroombaan te bou, word op die foto's getoon. Dit sluit in:

• Broodbord

• Operasionele versterkers

  • Alle versterkers wat in hierdie stroombaan gebruik word, is LM741.
  • Sien die datablad vir meer inligting:
• Weerstande
• Kapasitors
• Drade

• Plak-aan-elektrodes

  Dit is slegs nodig as u besluit om die kring op 'n regte persoon te probeer

Sagteware wat gebruik word, sluit in:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab of PSpice vir simulasies om waardes na te gaan

• Excel

  Dit word sterk aanbeveel as u die eienskappe van u kring moet verander. Miskien moet u ook met die getalle speel totdat u weerstands- en kapasitorwaardes vind wat maklik beskikbaar is. Pen-en-papier-berekeninge is ontmoedig vir hierdie een! Ons het ons sigbladberekeninge aangeheg om 'n idee te gee

Toets die kring

U benodig ook groter elektroniese toerusting:

• DC Kragtoevoer
• DAQ -bord om die kring na LabVIEW te koppel
• Funksie kragopwekker om stroombaan te toets
• Ossilloskoop om die kring te toets

Stap 2: Instrumentasie versterker

Waarom ons dit nodig het:

Ons bou 'n instrumentasie versterker om die klein amplitude wat uit die liggaam gemeet word, te versterk. Deur twee versterkers in ons eerste fase te gebruik, kan ons die geraas van die liggaam (wat by beide elektrodes dieselfde sal wees) kanselleer. Ons gebruik twee fases van ongeveer gelyke wins - dit beskerm die gebruiker as die stelsel aan 'n persoon gekoppel is deur te verhoed dat al die wins op een plek plaasvind. Aangesien die normale amplitude van 'n EKG -sein tussen 0,1 en 5 mV is, wil ons hê dat die versterking van die instrumentasieversterker ongeveer 100 is. 'N Aanvaarbare toleransie vir die versterking is 10%.

Hoe om dit te bou:

Met behulp van hierdie spesifikasies en die vergelykings in die tabel (aangehegte prente), het ons gevind dat ons weerstandswaardes R1 = 1,8 kiloOhms, R2 = 8,2 kiloOhms, R3 = 1,5 kiloOhms en R4 = 15 kiloOhms is. K1 is die wins van die eerste fase (OA1 en OA2), en K2 is die wins van die tweede fase (OA3). Gelyke kapasitansie -omleidingskondenseerders word op die kragtoevoer van die operasionele versterkers gebruik om geraas te verwyder.

Hoe om dit te toets:

Enige sein wat in die instrumentasie versterker gevoer word, moet met 100 versterk word. Deur dB = 20log (Vout/Vin) te gebruik, beteken dit 'n verhouding van 40 dB. U kan dit in PSpice of CircuitLab simuleer, of die fisiese toestel of albei toets!

Die aangehegte ossilloskoopbeeld toon 'n wins van 1000. Vir 'n regte EKG is dit te hoog!

Stap 3: kerffilter

Waarom ons dit nodig het:

Ons sal 'n kerffilter gebruik om die 60 Hz -geraas wat in alle kragtoevoer in die Verenigde State voorkom, te verwyder.

Hoe om dit te bou:

Ons stel die kwaliteitsfaktor Q op 8, wat 'n aanvaarbare filteruitset bied, terwyl komponentwaardes binne 'n haalbare reeks gehou word. Ons stel ook die kapasitorwaarde op 0.1 μF, sodat berekeninge slegs die weerstande beïnvloed. Die weerstandswaardes wat bereken en gebruik is, kan in die tabel (in foto's) of hieronder gesien word

• Q = w/B

  stel Q op 8 (of kies u eie op grond van u eie behoefte)

• w = 2*pi*f

  gebruik f = 60 Hz

• C

  stel op 0,1 uF (of kies u eie waarde uit beskikbare kapasitors)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Bereken. Ons waarde is 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Bereken. Ons waarde is 424,4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Bereken. Ons waarde is 1,65 kohm

Hoe om dit te toets:

Die kerffilter moet alle frekwensies onveranderd deurgee, behalwe dié rondom 60 Hz. Dit kan met 'n AC -sweep nagegaan word. 'N Filter met 'n versterking van -20 dB by 60 Hz word as goed beskou. U kan dit in PSpice of CircuitLab simuleer, of die fisiese toestel of albei toets!

Hierdie soort kerffilter kan 'n goeie kerf in die gesimuleerde AC -sweep oplewer, maar 'n fisiese toets het getoon dat ons oorspronklike waardes 'n kerf teen 'n laer frekwensie as wat bedoel was, gegenereer het. Om dit reg te stel, het ons R2 met ongeveer 25 kohm gestyg.

Die beeld van die ossilloskoop toon dat die filter die grootte van die insetsein by 60 Hz aansienlik verminder. Die grafiek toon 'n AC -sweep vir 'n kerffilter van hoë gehalte.

Stap 4: Laagdeurlaatfilter

Waarom ons dit nodig het:

Die laaste fase van die toestel is 'n aktiewe laagdeurlaatfilter. Die EKG -sein bestaan uit baie verskillende golfvorms, wat elk hul eie frekwensie het. Ons wil dit alles opneem sonder enige hoëfrekwensie-geraas. Die standaard afsnyprekwensie vir EKG -monitors van 150 Hz word gekies. (Soms word hoër afsnypunte gekies om spesifieke hartprobleme te monitor, maar vir ons projek gebruik ons 'n normale afsny.)

As u 'n eenvoudiger stroombaan wil maak, kan u ook 'n passiewe laagdeurlaatfilter gebruik. Dit bevat nie 'n versterker nie, en bestaan slegs uit 'n weerstand in serie met 'n kapasitor. Die uitsetspanning word oor die kapasitor gemeet.

Hoe om dit te bou:

Ons sal dit ontwerp as 'n Tweede orde Butterworth -filter, wat koëffisiënte a en b het, onderskeidelik 1.414214 en 1. Deur die versterking op 1 in te stel, word die operasionele versterker 'n spanningsvolger. Die vergelykings en waardes wat gekies word, word in die tabel (in foto's) en hieronder getoon.

• w = 2*pi*f

  stel f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Bereken. Ons waarde is 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Bereken. Ons waarde is 0,033 uF

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

  Bereken. Ons waarde is 18.836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Bereken. Ons waarde is 26.634 kohm

Hoe om dit te toets:

Die filter moet die frekwensies onder die afsny onveranderd deurgee. Dit kan getoets word met behulp van 'n AC -sweep. U kan dit in PSpice of CircuitLab simuleer, of die fisiese toestel toets, of albei!

Die ossilloskoopbeeld toon die reaksie van die filter by 100 Hz, 150 Hz en 155 Hz. Ons fisiese stroombaan het 'n afsny nader aan 155 Hz gehad, blyk uit die -3 dB verhouding.

Stap 5: High-pass filter

Waarom ons dit nodig het:

Die hoogdeurlaatfilter word gebruik sodat frekwensies onder 'n sekere afsnywaarde nie aangeteken word nie, sodat 'n skoon sein deurgegee kan word. Die afsnyfrekwensie word gekies as 0,5 Hz ('n standaardwaarde vir EKG-monitors).

Hoe om dit te bou:

Die weerstand- en kapasitorwaardes wat nodig is om dit te bereik, word hieronder gesien. Ons werklike weerstand wat gebruik is, was 318,2 kohm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • stel f = 0,5 Hz en C = 1 uF
  • Bereken R. Ons waarde is 318.310 kohm

Hoe om dit te toets:

Die filter moet die frekwensies bo die afsny onveranderd deurgee. Dit kan getoets word met behulp van 'n AC -sweep. U kan dit in PSpice of CircuitLab simuleer, of die fisiese toestel of albei toets!

Stap 6: LabVIEW opstel

Die vloeidiagram gee 'n uiteensetting van die ontwerpkonsep van die LabVIEW -gedeelte van die projek wat die sein met 'n hoë bemonsteringstempo opneem en die hartklop (BPM) en EKG vertoon. Ons LabView -stroombaan bevat die volgende komponente: DAQ -assistent, indeksskikking, rekenkundige operateurs, piekopsporing, numeriese aanwysers, golfvormgrafiek, verandering in tyd, maks/min identifiseerder en getallekonstante. Die DAQ -assistent is ingestel om deurlopende monsters te neem teen 'n snelheid van 1 kHz, met die aantal monsters wat tussen 3, 000 en 5, 000 monsters verander word vir piekopsporing en seine -duidelikheidsdoeleindes.

Beweeg die verskillende komponente in die kringdiagram om te lees waar in LabVIEW dit gevind kan word!

Stap 7: Versamel data

Noudat die kring saamgestel is, kan data versamel word om te sien of dit werk! Stuur 'n gesimuleerde EKG deur die stroombaan by 1 Hz. Die resultaat moet 'n skoon EKG -sein wees waar die QRS -kompleks, P -golf en T -golf duidelik gesien kan word. Die hartklop moet ook 60 slae per minuut (bpm) toon. Om die kring en die LabVIEW -opstelling verder te toets, verander die frekwensie na 1,5 Hz en 0,5 Hz. Die hartklop moet onderskeidelik 90 bpm en 30 bpm wees.

Om stadiger hartklop akkuraat te vertoon, moet u die DAQ -instellings moontlik aanpas om meer golwe per grafiek te wys. Dit kan gedoen word deur die aantal monsters te verhoog.

As u kies om die toestel op 'n mens te toets, moet u seker maak dat die kragtoevoer wat u gebruik vir die versterkers die stroom beperk tot 0,015 mA! Daar is verskeie aanvaarbare loodkonfigurasies, maar ons het gekies om die positiewe elektrode op die linker enkel, die negatiewe elektrode op die regter pols en die grondelektrode op die regter enkel te plaas, soos gesien in die aangehegte prentjie.

Met behulp van 'n paar basiese kringkonsepte en ons kennis van die menslike hart, het ons u gewys hoe u 'n prettige en nuttige toestel kan skep. Ons hoop dat u ons tutoriaal geniet het!