Κύκλωμα ΗΚΓ: 7 Βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:38

Το ΗΚΓ είναι μια δοκιμή που μετρά την ηλεκτρική δραστηριότητα της καρδιάς καταγράφοντας τον ρυθμό και τη δραστηριότητα της καρδιάς. Λειτουργεί λαμβάνοντας και διαβάζοντας σήματα από την καρδιά χρησιμοποιώντας καλώδια που είναι προσαρτημένα σε ένα ηλεκτροκαρδιογραφικό μηχάνημα. Αυτό το Instructable θα σας δείξει πώς να δημιουργήσετε ένα κύκλωμα που καταγράφει, φιλτράρει και εμφανίζει το βιοηλεκτρικό σήμα της καρδιάς. Δεν πρόκειται για ιατρική συσκευή. Αυτό είναι για εκπαιδευτικούς σκοπούς μόνο χρησιμοποιώντας προσομοιωμένα σήματα. Εάν χρησιμοποιείτε αυτό το κύκλωμα για πραγματικές μετρήσεις ΗΚΓ, βεβαιωθείτε ότι το κύκλωμα και οι συνδέσεις κυκλώματος-οργάνου χρησιμοποιούν κατάλληλες τεχνικές απομόνωσης.

Αυτό το κύκλωμα περιέχει τρία διαφορετικά στάδια ενσύρματα μαζί σε σειρά με ένα πρόγραμμα LabView. Οι αντιστάσεις στον ενισχυτή οργάνων υπολογίστηκαν με κέρδος 975 για να διασφαλιστεί ότι τα μικρά σήματα από την καρδιά μπορούν ακόμα να παραληφθούν από το κύκλωμα. Το φίλτρο εγκοπής αφαιρεί τον θόρυβο 60 Hz από την πρίζα στον τοίχο. Το φίλτρο χαμηλής διέλευσης εξασφαλίζει ότι ο θόρυβος υψηλής συχνότητας αφαιρείται από το κύκλωμα για καλύτερη ανίχνευση σήματος.

Πριν ξεκινήσετε αυτό το Instructable, θα ήταν χρήσιμο να εξοικειωθείτε με τον ενισχυτή λειτουργίας γενικής χρήσης uA741. Οι διαφορετικοί ακροδέκτες του ενισχυτή λειτουργίας έχουν διαφορετικούς σκοπούς και το κύκλωμα δεν θα λειτουργήσει εάν συνδέονται εσφαλμένα. Η εσφαλμένη σύνδεση των καρφιτσών στο breadboard είναι επίσης ένας εύκολος τρόπος για να τηγανίσετε το op-amp και να το κάνετε μη λειτουργικό. Ο παρακάτω σύνδεσμος περιέχει το σχηματικό που χρησιμοποιείται για τα ενισχυτικά σε αυτό το εκπαιδευτικό εγχειρίδιο.

Πηγή εικόνας:

Βήμα 1: Συλλέξτε υλικά

Υλικά που απαιτούνται και για τα 3 στάδια του φίλτρου:

• Παλμοσκόπιο
• Γεννήτρια συναρτήσεων
• Τροφοδοσία (+15V, -15V)
• Χαρτόνι χωρίς κόλλα
• Διάφορα καλώδια μπανάνας και κλιπ αλιγάτορα
• Αυτοκόλλητα ηλεκτροδίων ΗΚΓ
• Διάφορα καλώδια βραχυκυκλωτήρων

Ενισχυτής οργάνων:

• 3 ενισχυτές (uA741)

• Αντιστάσεις:

  • 1 kΩ x 3
  • 12 kΩ x 2
  • 39 kΩ x 2

Φίλτρο εγκοπών:

• 1 Op-amp (uA741)

• Αντιστάσεις:

  • 1,6 kΩ x 2
  • 417 kΩ

• Πυκνωτές:

  • 100 nF x 2
  • 200 nF

Φίλτρο χαμηλής διέλευσης:

• 1 Op-Amp (uA741)

• Αντιστάσεις:

  • 23,8 kΩ
  • 43 kΩ

• Πυκνωτές:

  • 22 nF
  • 47 nF

Βήμα 2: Δημιουργία ενισχυτή οργάνων

Τα βιολογικά σήματα συχνά παράγουν μόνο τάσεις μεταξύ 0,2 και 2 mV [2]. Αυτές οι τάσεις είναι πολύ μικρές για να αναλυθούν στο παλμογράφο οπότε χρειαζόμασταν να φτιάξουμε έναν ενισχυτή.

Αφού κατασκευαστεί το κύκλωμά σας, δοκιμάστε να βεβαιωθείτε ότι λειτουργεί σωστά μετρώντας την τάση στο Vout (φαίνεται ως ο κόμβος 2 στην παραπάνω εικόνα). Χρησιμοποιήσαμε τη γεννήτρια συνάρτησης για να στείλουμε ένα ημιτονοειδές κύμα με τάση πλάτους εισόδου 20 mV στον ενισχυτή οργάνων μας. Οτιδήποτε πολύ παραπάνω από αυτό δεν θα σας δώσει τα αποτελέσματα που αναζητάτε επειδή οι ενισχυτές λειτουργίας έπαιρναν μόνο μια ορισμένη ισχύ -15 και +15 V. Συγκρίνετε την έξοδο της γεννήτριας λειτουργίας με την έξοδο του ενισχυτή οργάνων σας και αναζητήστε κέρδος κοντά στα 1000 V. (Το Vout/Vin θα πρέπει να είναι πολύ κοντά στα 1000).

Συμβουλή για την αντιμετώπιση προβλημάτων: Βεβαιωθείτε ότι όλες οι αντιστάσεις βρίσκονται στην περιοχή kΩ.

[2] «Κλιματισμός σήματος ηλεκτροκαρδιογραφήματος υψηλής απόδοσης (ΗΚΓ) | Εκπαίδευση | Αναλογικές συσκευές. " [Σε σύνδεση]. Διαθέσιμο: https://www.analog.com/en/education/education-library/articles/high-perf-electrocardiogram-signal-conditioning.html. [Πρόσβαση: 10-Δεκ-2017].]

Βήμα 3: Δημιουργία φίλτρου εγκοπών

Το φίλτρο εγκοπής μας σχεδιάστηκε για να φιλτράρει μια συχνότητα στα 60 Hz. Θέλουμε να φιλτράρουμε τα 60 Hz από το σήμα μας γιατί αυτή είναι η συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος που βρίσκεται στις ηλεκτρικές πρίζες.

Κατά τη δοκιμή του φίλτρου εγκοπών, μετρήστε την αναλογία κορυφής προς κορυφή μεταξύ των γραφημάτων εισόδου και εξόδου. Στα 60 Hz, θα πρέπει να υπάρχει αναλογία -20 dB ή καλύτερη. Αυτό συμβαίνει επειδή στα -20 dB, η τάση εξόδου είναι ουσιαστικά 0V, πράγμα που σημαίνει ότι φιλτράρατε με επιτυχία το σήμα στα 60 Hz! Δοκιμάστε συχνότητες περίπου 60 Hz για να βεβαιωθείτε ότι καμία άλλη συχνότητα δεν φιλτράρεται τυχαία.

Συμβουλή για την αντιμετώπιση προβλημάτων: Εάν δεν μπορείτε να λάβετε ακριβώς -20dB στα 60 Hz, επιλέξτε μία αντίσταση και αλλάξτε την ελαφρώς μέχρι να έχετε τα επιθυμητά αποτελέσματα. Έπρεπε να παίξουμε με την αξία του R2 μέχρι να πάρουμε τα αποτελέσματα που θέλαμε.

Βήμα 4: Δημιουργήστε φίλτρο χαμηλής διέλευσης

Το φίλτρο χαμηλής διέλευσης σχεδιάστηκε με συχνότητα διακοπής 150 Hz. Επιλέξαμε αυτό το όριο διότι το ευρύτερο εύρος διάγνωσης για ΗΚΓ είναι 0,05 Hz - 150 Hz, υποθέτοντας ένα περιβάλλον ακίνητου και χαμηλού θορύβου [3]. Το φίλτρο χαμηλής διέλευσης είναι σε θέση να απαλλαγεί από θόρυβο υψηλής συχνότητας που προέρχεται από μυς ή άλλα μέρη του σώματος [4].

Για να ελέγξετε αυτό το κύκλωμα για να βεβαιωθείτε ότι λειτουργεί σωστά, μετρήστε το Vout (εμφανίζεται ως κόμβος 1 στο διάγραμμα κυκλώματος). Στα 150 Hz, το πλάτος του σήματος εξόδου πρέπει να είναι 0,7 φορές το πλάτος του σήματος εισόδου. Χρησιμοποιήσαμε ένα σήμα εισόδου 1V για να μπορούμε εύκολα να δούμε ότι η έξοδός μας πρέπει να είναι 0,7 στα 150 Hz.

Συμβουλές για την αντιμετώπιση προβλημάτων: εφόσον η συχνότητα διακοπής είναι εντός μερικών Hz των 150 Hz, το κύκλωμά σας θα πρέπει να εξακολουθεί να λειτουργεί. Η αποκοπή μας κατέληξε να είναι 153 Hz. Το εύρος για τα βιολογικά σήματα θα κυμαίνεται λίγο στο σώμα, εφόσον δεν είστε εκτός λειτουργίας περισσότερο από μερικά Hz, το κύκλωμά σας θα πρέπει να λειτουργεί ακόμα.

[3] «Φίλτρα ΗΚΓ | MEDTEQ. " [Σε σύνδεση]. Διαθέσιμο: https://www.medteq.info/med/ECGFilters. [Πρόσβαση: 10-Δεκ-2017].

[4] K. L. Venkatachalam, J. E. Herbrandson, and S. J. Asirvatham, "Signals and Signal Processing for the Electrophysiologist: Part I: Electrogram Acquisition", Circ. Αρρυθμία Electrophysiol., Τόμ. 4, όχι 6, σελ. 965–973, Δεκέμβριος 2011.

Βήμα 5: Δημιουργία προγράμματος LabView

[5] «BME 305 Design Lab Project» (Φθινόπωρο 2017).

Αυτό το μπλοκ διάγραμμα labview έχει σχεδιαστεί για να αναλύει το σήμα που περνάει από το πρόγραμμα, να ανιχνεύει κορυφές ΗΚΓ, να συλλέγει τη χρονική διαφορά μεταξύ των κορυφών και να υπολογίζει μαθηματικά το BPM. Εξάγει επίσης ένα γράφημα της κυματομορφής του ΗΚΓ.

Βήμα 6: Συνδέστε και τα τρία στάδια

Συνδέστε και τα τρία κυκλώματα σε σειρά συνδέοντας την έξοδο του ενισχυτή οργάνων στην είσοδο του φίλτρου εγκοπών και την έξοδο του φίλτρου εγκοπών στην είσοδο του φίλτρου χαμηλής διέλευσης. Συνδέστε την έξοδο του φίλτρου χαμηλής διέλευσης στον βοηθό DAQ και συνδέστε τον βοηθό DAQ στον υπολογιστή. Όταν συνδέετε τα κυκλώματα μεταξύ τους, βεβαιωθείτε ότι οι λωρίδες ισχύος για κάθε σανίδα ψύξης είναι συνδεδεμένες και οι λωρίδες γείωσης είναι όλες συνδεδεμένες στον ίδιο ακροδέκτη γείωσης.

Στον ενισχυτή οργάνων, ο δεύτερος ενισχυτής πρέπει να είναι μη γειωμένος, έτσι ώστε δύο αγωγοί ηλεκτροδίων που είναι συνδεδεμένοι στο εξεταζόμενο αντικείμενο να μπορούν ο καθένας να συνδεθεί με διαφορετικό ενισχυτή στο πρώτο στάδιο αυτού του φίλτρου.

Βήμα 7: Λάβετε σήματα από ένα δοκιμαστικό άτομο

Ένα αυτοκόλλητο ηλεκτροδίου πρέπει να τοποθετείται σε κάθε καρπό και ένα πρέπει να τοποθετείται στον αστράγαλο για έδαφος. Χρησιμοποιήστε κλιπ αλιγάτορα για να συνδέσετε τα δύο ηλεκτρόδια καρπού στις εισόδους του ενισχυτή οργάνων και τον αστράγαλο στη γείωση. Όταν είστε έτοιμοι, κάντε κλικ στο "τρέξιμο" στο πρόγραμμα LabView και δείτε τους καρδιακούς παλμούς και το ΗΚΓ στην οθόνη!