ΗΚΓ και Παρακολούθηση καρδιακού ρυθμού: 7 βήματα (με εικόνες)

2025 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2025-01-23 14:39

ΠΡΟΣΟΧΗ: 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.

Ένα από τα πιο σημαντικά διαγνωστικά εργαλεία που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση αυτών των καταστάσεων είναι το ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ). Το ηλεκτροκαρδιογράφημα λειτουργεί ανιχνεύοντας την ηλεκτρική ώθηση στην καρδιά σας και μεταδίδοντάς την πίσω στο μηχάνημα [1]. Το σήμα λαμβάνεται από ηλεκτρόδια τοποθετημένα στο σώμα. Η τοποθέτηση των ηλεκτροδίων είναι ζωτικής σημασίας για τη λήψη των φυσιολογικών σημάτων αφού λειτουργούν καταγράφοντας τη διαφορά δυναμικού σε όλο το σώμα. Η τυπική τοποθέτηση των ηλεκτροδίων είναι η χρήση του τριγώνου Einthoven. Εδώ τοποθετείται ένα ηλεκτρόδιο στο δεξί χέρι, το αριστερό χέρι και το αριστερό πόδι. Το αριστερό πόδι λειτουργεί ως έδαφος για τα ηλεκτρόδια και αυξάνει τον θόρυβο συχνότητας στο σώμα. Ο δεξιός βραχίονας έχει αρνητικό ηλεκτρόδιο και ο αριστερός έχει θετικό ηλεκτρόδιο για να υπολογίσει τη διαφορά δυναμικού στο στήθος και συνεπώς να πάρει την ηλεκτρική ενέργεια από την καρδιά [2]. Ο στόχος αυτού του έργου ήταν να δημιουργήσει μια συσκευή που μπορεί να αποκτήσει με επιτυχία ένα σήμα ΗΚΓ και αναπαράγει καθαρά το σήμα χωρίς θόρυβο και με την προσθήκη μέτρησης καρδιακού ρυθμού.

Βήμα 1: Υλικά και εργαλεία

• Διάφορες αντιστάσεις και πυκνωτές
• Breadboard
• Γεννήτρια συναρτήσεων
• Παλμοσκόπιο
• Τροφοδοτικό DC
• Οπ-ενισχυτές
• Υπολογιστής με εγκατεστημένο το LABView
• Καλώδια BNC
• Βοηθός DAQ

Βήμα 2: Δημιουργία ενισχυτή οργάνων

Προκειμένου να ενισχυθεί επαρκώς το βιοηλεκτρικό σήμα, το συνολικό κέρδος του ενισχυτή οργάνων δύο σταδίων πρέπει να είναι 1000. Κάθε στάδιο πολλαπλασιάζεται για να πάρει το συνολικό κέρδος και οι εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των επιμέρους σταδίων φαίνονται παρακάτω.

Κέρδος Στάδιο 1: Κ1 = 1+2*R2/R1 Κέρδος Στάδιο 2: Κ2 = -R4/R3

Χρησιμοποιώντας τις παραπάνω εξισώσεις, οι τιμές αντίστασης που χρησιμοποιήσαμε ήταν R1 = 10kΩ, R2 = 150kΩ, R3 = 10kΩ και R4 = 33kΩ. Για να διασφαλίσετε ότι αυτές οι τιμές θα παρέχουν την επιθυμητή έξοδο, μπορείτε να το προσομοιώσετε στο διαδίκτυο ή να το δοκιμάσετε χρησιμοποιώντας έναν παλμογράφο μετά την κατασκευή του φυσικού ενισχυτή.

Αφού συνδέσετε τις επιλεγμένες αντιστάσεις και τα ενισχυτικά στο ψωμί, θα πρέπει να τροφοδοτήσετε τους ενισχυτές ± 15V από τροφοδοτικό DC. Στη συνέχεια, συνδέστε τη γεννήτρια λειτουργιών στην είσοδο του ενισχυτή οργάνων και τον παλμογράφο στην έξοδο.

Η παραπάνω φωτογραφία δείχνει ότι ο ολοκληρωμένος ενισχυτής οργάνων θα μοιάζει με το breadboard. Για να ελέγξετε αν λειτουργεί σωστά, ρυθμίστε τη γεννήτρια συναρτήσεων να παράγει ημιτονοειδές κύμα στα 1kHz με πλάτος κορυφής έως κορυφή 20 mV. Η έξοδος από τον ενισχυτή στο παλμογράφο πρέπει να έχει πλάτος κορυφής έως κορυφή 20 V, αφού υπάρχει κέρδος 1000, εάν λειτουργεί σωστά.

Βήμα 3: Δημιουργία φίλτρου εγκοπών

Λόγω του θορύβου της γραμμής τροφοδοσίας, χρειάστηκε ένα φίλτρο για να φιλτράρει τον θόρυβο στα 60Hz, που είναι ο θόρυβος της γραμμής ρεύματος στις Ηνωμένες Πολιτείες. Χρησιμοποιήθηκε ένα φίλτρο εγκοπής αφού φιλτράρει μια συγκεκριμένη συχνότητα. Οι ακόλουθες εξισώσεις χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό των τιμών των αντιστάσεων. Ένας ποιοτικός συντελεστής (Q) των 8 λειτούργησε καλά και οι τιμές πυκνωτών 0,1uF επιλέχθηκαν για ευκολία κατασκευής. Η συχνότητα στις εξισώσεις (απεικονίζεται ως w) είναι η συχνότητα εγκοπών 60Hz πολλαπλασιασμένη με 2π.

R1 = 1/(2QwC)

R2 = 2Q/(wC)

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

Χρησιμοποιώντας τις παραπάνω εξισώσεις, οι τιμές αντίστασης που χρησιμοποιήσαμε ήταν R1 = 1.5kΩ, R2 = 470kΩ και R3 = 1.5kΩ. Για να διασφαλίσετε ότι αυτές οι τιμές θα παρέχουν την επιθυμητή έξοδο, μπορείτε να το προσομοιώσετε στο διαδίκτυο ή να το δοκιμάσετε χρησιμοποιώντας έναν παλμογράφο μετά την κατασκευή του φυσικού ενισχυτή.

Η παραπάνω εικόνα δείχνει πώς θα είναι το ολοκληρωμένο φίλτρο εγκοπών στο breadboard. Η ρύθμιση για τους ενισχυτές είναι η ίδια με τον ενισχυτή οργάνων και η γεννήτρια λειτουργίας θα πρέπει τώρα να ρυθμιστεί ώστε να παράγει ημιτονοειδές κύμα στα 1kHz με πλάτος κορυφής έως κορυφή 1V. Εάν εκτελέσετε ένα Sweep AC θα πρέπει να μπορείτε να επαληθεύσετε ότι οι συχνότητες γύρω στα 60Hz φιλτράρονται.

Βήμα 4: Δημιουργήστε ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης

Προκειμένου να φιλτραριστεί ο θόρυβος υψηλής συχνότητας που δεν σχετίζεται με το ΗΚΓ δημιουργήθηκε ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης με συχνότητα διακοπής 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)

Χρησιμοποιώντας τις παραπάνω εξισώσεις, οι τιμές αντίστασης που χρησιμοποιήσαμε ήταν R1 = 12kΩ, R2 = 135kΩ, C1 = 0.01 μF και C2 = 0.068 μF. Οι τιμές για R3 και R4 κατέληξαν σε μηδέν αφού θέλαμε το κέρδος, K, του φίλτρου να είναι μηδέν, επομένως χρησιμοποιήσαμε σύρματα αντί αντιστάσεων εδώ στη φυσική ρύθμιση. Για να διασφαλίσετε ότι αυτές οι τιμές θα παρέχουν την επιθυμητή έξοδο, μπορείτε να το προσομοιώσετε στο διαδίκτυο ή να το δοκιμάσετε χρησιμοποιώντας έναν παλμογράφο μετά την κατασκευή του φυσικού ενισχυτή.

Για να δημιουργήσετε το φυσικό φίλτρο, συνδέστε τις επιλεγμένες αντιστάσεις και πυκνωτές στο op-amp, όπως φαίνεται στο σχήμα. Τροφοδοτήστε τον ενισχυτή και συνδέστε τη γεννήτρια λειτουργιών και τον παλμογράφο με τον ίδιο τρόπο όπως περιγράφεται στα προηγούμενα βήματα. Ρυθμίστε τη γεννήτρια συναρτήσεων να παράγει ημιτονοειδές κύμα στα 150Hz και με πλάτος κορυφής-κορυφής περίπου 1 V. Δεδομένου ότι τα 150Hz πρέπει να είναι η συχνότητα διακοπής, εάν το φίλτρο λειτουργεί σωστά, το μέγεθος θα πρέπει να είναι 3dB σε αυτή τη συχνότητα. Αυτό θα σας πει εάν το φίλτρο έχει ρυθμιστεί σωστά.

Βήμα 5: Συνδέστε όλα τα εξαρτήματα μαζί

Αφού δημιουργήσετε κάθε στοιχείο και δοκιμάσετε ξεχωριστά, μπορούν να συνδεθούν όλα σε σειρά. Συνδέστε τη γεννήτρια λειτουργιών στην είσοδο του ενισχυτή οργάνων και, στη συνέχεια, συνδέστε την έξοδο αυτής στην είσοδο του φίλτρου εγκοπών. Κάντε το ξανά συνδέοντας την έξοδο του εγκοπίου φίλτρου με την είσοδο του φίλτρου χαμηλής διέλευσης. Η έξοδος του φίλτρου χαμηλής διέλευσης θα πρέπει στη συνέχεια να συνδεθεί με τον παλμογράφο.

Βήμα 6: Ρύθμιση LabVIEW

Η κυματομορφή του καρδιακού παλμού του ΗΚΓ καταγράφηκε στη συνέχεια χρησιμοποιώντας έναν βοηθό DAQ και LabView. Ένας βοηθός DAQ αποκτά αναλογικά σήματα και καθορίζει τις παραμέτρους δειγματοληψίας. Συνδέστε τον βοηθό DAQ στη γεννήτρια λειτουργιών που εξάγει ένα καρδιακό σήμα και στον υπολογιστή με το LabView. Ρυθμίστε το LabView σύμφωνα με το σχήμα που φαίνεται παραπάνω. Ο βοηθός DAQ θα φέρει το καρδιακό κύμα από τη γεννήτρια συναρτήσεων. Προσθέστε επίσης το γράφημα κυματομορφής στη ρύθμιση LabView για να δείτε το γράφημα. Χρησιμοποιήστε αριθμητικούς τελεστές για να ορίσετε ένα όριο για τη μέγιστη τιμή. Στο σχηματικό σχήμα που χρησιμοποιήθηκε χρησιμοποιήθηκε το 80%. Η μέγιστη ανάλυση θα πρέπει επίσης να χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό τοποθεσιών αιχμής και τη σύνδεσή τους με την αλλαγή του χρόνου. Πολλαπλασιάστε τη συχνότητα αιχμής με 60 για να υπολογίσετε τους παλμούς ανά λεπτό και ο αριθμός αυτός εξάγεται δίπλα στο γράφημα.

Βήμα 7: Τώρα μπορείτε να καταγράψετε ένα ΗΚΓ

[1] «Ηλεκτροκαρδιογράφημα - Κέντρο Πληροφόρησης Καρδιάς του Ινστιτούτου Καρδιάς Τέξας». [Σε σύνδεση]. Διαθέσιμο: https://www.texasheart.org/HIC/Topics/Diag/diekg.cfm. [Πρόσβαση: 09-Δεκ-2017].

[2] «Το ΗΚΓ οδηγεί, η πολικότητα και το τρίγωνο του Einthoven - The Student Physiologist». [Σε σύνδεση]. Διαθέσιμο: https://thephysiologist.org/study-materials/the-ecg-leads-polarity-and-einthovens-triangle/. [Πρόσβαση: 10-Δεκ-2017].