Κύκλωμα ηλεκτροκαρδιογραφήματος (ΗΚΓ): 7 βήματα

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

Σημείωση: 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.

Είμαστε δύο φοιτητές στη Βιοϊατρική Μηχανική και αφού κάναμε το πρώτο μάθημα κυκλωμάτων, ήμασταν ενθουσιασμένοι και αποφασίσαμε να χρησιμοποιήσουμε τα βασικά που μάθαμε για να κάνουμε κάτι χρήσιμο: να παρουσιάσουμε ένα ΗΚΓ και να διαβάσουμε τον καρδιακό ρυθμό. Αυτό θα ήταν το πιο περίπλοκο κύκλωμα που έχουμε κατασκευάσει ακόμα!

Λίγο υπόβαθρο σε ΗΚΓ:

Πολλές ηλεκτρικές συσκευές χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση και την καταγραφή της βιολογικής δραστηριότητας στο ανθρώπινο σώμα. Μια τέτοια συσκευή είναι το ηλεκτροκαρδιογράφημα, το οποίο μετρά τα ηλεκτρικά σήματα που παράγονται από την καρδιά. Αυτά τα σήματα δίνουν αντικειμενικές πληροφορίες σχετικά με τη δομή και τη λειτουργία της καρδιάς. Το ΗΚΓ αναπτύχθηκε για πρώτη φορά το 1887 και έδωσε στους γιατρούς έναν νέο τρόπο διάγνωσης καρδιακών επιπλοκών. Τα ΗΚΓ μπορούν να ανιχνεύσουν τον καρδιακό ρυθμό, τους καρδιακούς παλμούς, τα εμφράγματα, την ανεπαρκή παροχή αίματος και οξυγόνου στην καρδιά και δομικές ανωμαλίες. Χρησιμοποιώντας απλό σχεδιασμό κυκλώματος, μπορεί να γίνει ένα ΗΚΓ που θα μπορούσε να παρακολουθεί όλα αυτά τα πράγματα.

Βήμα 1: Υλικά

Χτίζοντας το κύκλωμα

Τα βασικά υλικά που χρειάζονται για την κατασκευή του κυκλώματος φαίνονται στις εικόνες. Περιλαμβάνουν:

• Breadboard

• Λειτουργικοί ενισχυτές

  • Όλοι οι ενισχυτές op που χρησιμοποιούνται σε αυτό το κύκλωμα είναι LM741.
  • Για περισσότερες πληροφορίες, ανατρέξτε στο φύλλο δεδομένων:
• Αντιστάσεις
• Πυκνωτές
• Καλώδια

• Κολλητικά ηλεκτρόδια

  Αυτά χρειάζονται μόνο εάν αποφασίσετε να δοκιμάσετε το κύκλωμα σε πραγματικό πρόσωπο

Το λογισμικό που χρησιμοποιείται περιλαμβάνει:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab ή PSpice για προσομοιώσεις για έλεγχο τιμών

• Προέχω

  Αυτό συνιστάται ιδιαίτερα σε περίπτωση που χρειαστεί να αλλάξετε τυχόν χαρακτηριστικά του κυκλώματός σας. Μπορεί επίσης να χρειαστεί να παίξετε με τους αριθμούς μέχρι να βρείτε τις τιμές αντίστασης και πυκνωτή που είναι άμεσα διαθέσιμες. Οι υπολογισμοί με στυλό και χαρτί αποθαρρύνονται για αυτό! Έχουμε επισυνάψει τους υπολογισμούς των υπολογιστικών φύλλων μας για να δώσουμε μια ιδέα

Δοκιμή του κυκλώματος

Θα χρειαστείτε επίσης μεγαλύτερο ηλεκτρονικό εξοπλισμό:

• Τροφοδοσία DC
• Πλακέτα DAQ για διασύνδεση του κυκλώματος με LabVIEW
• Γεννήτρια λειτουργίας για έλεγχο κυκλώματος
• Παλαιογράφο για δοκιμή κυκλώματος

Βήμα 2: Ενισχυτής οργάνων

Γιατί το χρειαζόμαστε:

Θα κατασκευάσουμε έναν ενισχυτή οργάνων προκειμένου να ενισχύσουμε το μικρό πλάτος που μετράται από το σώμα. Η χρήση δύο ενισχυτών στο πρώτο μας στάδιο θα μας επιτρέψει να ακυρώσουμε τον θόρυβο που δημιουργείται από το σώμα (ο οποίος θα είναι ο ίδιος και στα δύο ηλεκτρόδια). Θα χρησιμοποιήσουμε δύο στάδια περίπου ίσης απολαβής - αυτό προστατεύει τον χρήστη εάν το σύστημα είναι συνδεδεμένο με ένα άτομο εμποδίζοντας όλο το κέρδος να συμβεί σε ένα μέρος. Δεδομένου ότι το κανονικό πλάτος ενός σήματος ΗΚΓ είναι μεταξύ 0,1 και 5 mV, θέλουμε το κέρδος του ενισχυτή οργάνων να είναι περίπου 100. Μια αποδεκτή ανοχή στο κέρδος είναι 10%.

Πώς να το χτίσετε:

Χρησιμοποιώντας αυτές τις προδιαγραφές και τις εξισώσεις που φαίνονται στον πίνακα (συνημμένες εικόνες), βρήκαμε ότι οι τιμές αντίστασης είναι R1 = 1,8 kiloOhms, R2 = 8,2 kiloOhms, R3 = 1,5 kiloOhms και R4 = 15 kiloOhms. Το Κ1 είναι το κέρδος του πρώτου σταδίου (ΟΑ1 και ΟΑ2) και το Κ2 είναι το κέρδος του δεύτερου σταδίου (ΟΑ3). Πυκνωτές παράκαμψης ίσης χωρητικότητας χρησιμοποιούνται στα τροφοδοτικά των λειτουργικών ενισχυτών για την απομάκρυνση του θορύβου.

Πώς να το δοκιμάσετε:

Κάθε σήμα που τροφοδοτείται στον ενισχυτή οργάνων πρέπει να ενισχυθεί κατά 100. Χρησιμοποιώντας dB = 20log (Vout/Vin) αυτό σημαίνει αναλογία 40 dB. Μπορείτε να το προσομοιώσετε στο PSpice ή στο CircuitLab ή να δοκιμάσετε τη φυσική συσκευή ή και τα δύο!

Η συνημμένη εικόνα παλμογράφου δείχνει κέρδος 1000. Για πραγματικό ΗΚΓ, αυτό είναι πολύ υψηλό!

Βήμα 3: Φίλτρο εγκοπών

Γιατί το χρειαζόμαστε:

Θα χρησιμοποιήσουμε ένα φίλτρο εγκοπής για να αφαιρέσουμε τον θόρυβο 60 Hz που υπάρχει σε όλα τα τροφοδοτικά στις Ηνωμένες Πολιτείες.

Πώς να το χτίσετε:

Θα ορίσουμε τον συντελεστή ποιότητας Q να είναι 8, ο οποίος θα παρέχει μια αποδεκτή έξοδο φιλτραρίσματος διατηρώντας τις τιμές των συστατικών σε ένα εφικτό εύρος. Ορίσαμε επίσης την τιμή του πυκνωτή να είναι 0,1 μF έτσι ώστε οι υπολογισμοί να επηρεάζουν μόνο τις αντιστάσεις. Οι τιμές των αντιστάσεων που υπολογίστηκαν και χρησιμοποιήθηκαν φαίνονται στον πίνακα (στις εικόνες) ή παρακάτω

• Q = w/B

  ορίστε το Q σε 8 (ή επιλέξτε το δικό σας με βάση τις δικές σας ανάγκες)

• w = 2*pi*f

  χρήση f = 60 Hz

• ντο

  ρυθμισμένο σε 0,1 uF (ή επιλέξτε τη δική σας τιμή από τους διαθέσιμους πυκνωτές)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Υπολογίζω. Η τιμή μας είναι 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Υπολογίζω. Η τιμή μας είναι 424,4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Υπολογίζω. Η τιμή μας είναι 1,65 kohm

Πώς να το δοκιμάσετε:

Το φίλτρο εγκοπής πρέπει να περνάει όλες τις συχνότητες αμετάβλητες, εκτός από αυτές γύρω στα 60 Hz. Αυτό μπορεί να ελεγχθεί με σάρωση AC. Ένα φίλτρο με κέρδος -20 dB στα 60 Hz θεωρείται καλό. Μπορείτε να το προσομοιώσετε στο PSpice ή στο CircuitLab ή να δοκιμάσετε τη φυσική συσκευή ή και τα δύο!

Αυτό το είδος φίλτρου εγκοπών μπορεί να δημιουργήσει μια καλή εγκοπή στην προσομοίωση σάρωσης εναλλασσόμενου ρεύματος, αλλά μια φυσική δοκιμή έδειξε ότι οι αρχικές τιμές μας δημιούργησαν μια εγκοπή σε χαμηλότερη συχνότητα από την προβλεπόμενη. Για να το διορθώσουμε, αυξήσαμε το R2 κατά περίπου 25 kohm.

Η εικόνα παλμογράφου δείχνει ότι το φίλτρο μειώνει σημαντικά το μέγεθος του σήματος εισόδου στα 60 Hz. Το γράφημα δείχνει μια σάρωση εναλλασσόμενου ρεύματος για ένα υψηλής ποιότητας φίλτρο εγκοπών.

Βήμα 4: Φίλτρο χαμηλής διέλευσης

Γιατί το χρειαζόμαστε:

Το τελευταίο στάδιο της συσκευής είναι ένα ενεργό φίλτρο χαμηλής διέλευσης. Το σήμα ΗΚΓ αποτελείται από πολλές διαφορετικές κυματομορφές, οι οποίες έχουν καθεμία τη δική της συχνότητα. Θέλουμε να καταγράψουμε όλα αυτά, χωρίς θόρυβο υψηλής συχνότητας. Επιλέγεται η τυπική συχνότητα διακοπής για οθόνες ΗΚΓ 150 Hz. (Μερικές φορές επιλέγονται υψηλότερες διακοπές για παρακολούθηση συγκεκριμένων καρδιακών προβλημάτων, αλλά για το έργο μας, θα χρησιμοποιήσουμε μια κανονική διακοπή.)

Εάν θέλετε να κάνετε ένα απλούστερο κύκλωμα, μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε ένα παθητικό φίλτρο χαμηλής διέλευσης. Αυτό δεν θα περιλαμβάνει ενισχυτή op και θα αποτελείται μόνο από μια αντίσταση σε σειρά με πυκνωτή. Η τάση εξόδου θα μετρηθεί στον πυκνωτή.

Πώς να το χτίσετε:

Θα το σχεδιάσουμε ως φίλτρο Butterworth δεύτερης τάξης, το οποίο έχει συντελεστές a και b ίσο με 1.414214 και 1, αντίστοιχα. Η ρύθμιση του κέρδους στο 1 μετατρέπει τον λειτουργικό ενισχυτή σε οπαδό τάσης. Οι επιλεγμένες εξισώσεις και τιμές φαίνονται στον πίνακα (σε εικόνες) και παρακάτω.

• w = 2*pi*f

  σύνολο f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Υπολογίζω. Η τιμή μας είναι 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Υπολογίζω. Η τιμή μας είναι 0,033 uF

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

  Υπολογίζω. Η τιμή μας είναι 18.836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Υπολογίζω. Η τιμή μας είναι 26.634 kohm

Πώς να το δοκιμάσετε:

Το φίλτρο πρέπει να περνάει τις συχνότητες κάτω από την αποκοπή αμετάβλητο. Αυτό μπορεί να ελεγχθεί χρησιμοποιώντας σάρωση AC. Μπορείτε να το προσομοιώσετε στο PSpice ή στο CircuitLab ή να δοκιμάσετε τη φυσική συσκευή ή και τα δύο!

Η εικόνα παλμογράφου δείχνει την απόκριση του φίλτρου στα 100 Hz, 150 Hz και 155 Hz. Το φυσικό μας κύκλωμα είχε μια διακοπή κοντά στα 155 Hz, που φαίνεται από την αναλογία -3 dB.

Βήμα 5: Φίλτρο υψηλής διέλευσης

Γιατί το χρειαζόμαστε:

Το φίλτρο υψηλής διέλευσης χρησιμοποιείται έτσι ώστε να μην καταγράφονται συχνότητες κάτω από μια ορισμένη τιμή διακοπής, επιτρέποντας τη διέλευση ενός καθαρού σήματος. Η συχνότητα διακοπής επιλέγεται να είναι 0,5 Hz (τυπική τιμή για οθόνες ΗΚΓ).

Πώς να το χτίσετε:

Οι τιμές αντίστασης και πυκνωτή που απαιτούνται για να επιτευχθεί αυτό φαίνονται παρακάτω. Η πραγματική μας αντίσταση που χρησιμοποιήθηκε ήταν 318,2 kohm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • σύνολο f = 0,5 Hz και C = 1 uF
  • Υπολογίστε R. Η τιμή μας είναι 318.310 kohm

Πώς να το δοκιμάσετε:

Το φίλτρο πρέπει να περνάει τις συχνότητες πάνω από τη διακοπή αμετάβλητες. Αυτό μπορεί να ελεγχθεί χρησιμοποιώντας σάρωση AC. Μπορείτε να το προσομοιώσετε στο PSpice ή στο CircuitLab ή να δοκιμάσετε τη φυσική συσκευή ή και τα δύο!

Βήμα 6: Ρύθμιση του LabVIEW

Το διάγραμμα ροής παρουσιάζει τη σχεδιαστική ιδέα του τμήματος LabVIEW του έργου που καταγράφει το σήμα με υψηλό ρυθμό δειγματοληψίας και εμφανίζει τον καρδιακό ρυθμό (BPM) και το ΗΚΓ. Το κύκλωμά μας LabView περιέχει τα ακόλουθα στοιχεία: Βοηθό DAQ, πίνακα ευρετηρίου, αριθμητικούς τελεστές, ανίχνευση αιχμής, αριθμητικούς δείκτες, γράφημα κυματομορφής, αλλαγή χρόνου, αναγνωριστικό μέγιστου/λεπτού και σταθερές αριθμών. Ο βοηθός DAQ έχει οριστεί να λαμβάνει συνεχόμενα δείγματα με ρυθμό 1 kHz, με τον αριθμό των δειγμάτων να αλλάζει μεταξύ 3, 000 και 5, 000 δειγμάτων για σκοπούς ανίχνευσης αιχμής και ευκρίνειας σήματος.

Ποντίστε πάνω από τα διάφορα στοιχεία του διαγράμματος κυκλώματος για να τα διαβάσετε στο LabVIEW για να τα βρείτε!

Βήμα 7: Συλλογή δεδομένων

Τώρα που το κύκλωμα έχει συναρμολογηθεί, μπορούν να συλλεχθούν δεδομένα για να δούμε αν λειτουργεί! Στείλτε ένα προσομοιωμένο ΗΚΓ μέσω του κυκλώματος στα 1 Hz. Το αποτέλεσμα θα πρέπει να είναι ένα καθαρό σήμα ΗΚΓ όπου το σύμπλεγμα QRS, το κύμα Ρ και το κύμα Τ μπορεί να φανεί καθαρά. Ο καρδιακός ρυθμός πρέπει επίσης να εμφανίζει 60 παλμούς ανά λεπτό (σ.α.λ.). Για περαιτέρω έλεγχο του κυκλώματος και της ρύθμισης LabVIEW, αλλάξτε τη συχνότητα σε 1,5 Hz και 0,5 Hz. Ο καρδιακός ρυθμός θα πρέπει να αλλάξει σε 90 bpm και 30 bpm αντίστοιχα.

Για να εμφανίζονται με μεγαλύτερη ακρίβεια οι καρδιακοί παλμοί, ίσως χρειαστεί να προσαρμόσετε τις ρυθμίσεις DAQ για να εμφανίζονται περισσότερα κύματα ανά γράφημα. Αυτό μπορεί να γίνει αυξάνοντας τον αριθμό των δειγμάτων.

Εάν επιλέξετε να δοκιμάσετε τη συσκευή σε άνθρωπο, βεβαιωθείτε ότι το τροφοδοτικό που χρησιμοποιείτε για τους ενισχυτές λειτουργίας περιορίζει το ρεύμα στα 0,015 mA! Υπάρχουν αρκετές αποδεκτές διαμορφώσεις μολύβδου, αλλά επιλέξαμε να τοποθετήσουμε το θετικό ηλεκτρόδιο στον αριστερό αστράγαλο, το αρνητικό ηλεκτρόδιο στον δεξιό καρπό και το ηλεκτρόδιο γείωσης στον δεξιό αστράγαλο όπως φαίνεται στην συνημμένη εικόνα.

Χρησιμοποιώντας μερικές βασικές έννοιες κυκλωμάτων και τις γνώσεις μας για την ανθρώπινη καρδιά, σας δείξαμε πώς να δημιουργήσετε μια διασκεδαστική και χρήσιμη συσκευή. Ελπίζουμε να απολαύσατε το σεμινάριο μας!