Buat Elektrokardiogram Sendiri (ECG): 6 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:12

NOTIS:

Ini bukan alat perubatan. Ini hanya untuk tujuan pendidikan, dengan menggunakan isyarat simulasi. Sekiranya menggunakan litar ini untuk pengukuran ECG sebenar, pastikan rangkaian dan sambungan litar-ke-instrumen menggunakan kuasa bateri dan teknik pengasingan lain yang betul.

[Gambar diambil dari

Langkah 1: Ketahui Barang Anda

Elektrokardiogram (ECG) adalah alat penting yang digunakan oleh doktor untuk memantau aktiviti elektrik jantung. Ia berguna dalam menangkap segalanya, dari irama jantung yang tidak normal hingga mendiagnosis kegagalan panas. Dengan mengikuti Instructable ini, anda akan dapat membina peranti yang memaparkan elektrokardiogram seseorang yang hanya menggunakan kemahiran papan roti asas, dan peralatan makmal elektronik umum. Sebaik sahaja anda mempunyai output isyarat yang baik, anda boleh menggunakan isyarat yang sama untuk mengira kadar denyutan jantung, atau metrik lain yang menarik menggunakan mikrokontroler.

-

Sekiranya anda tidak tahu apa itu ECG, ini hanyalah rakaman aktiviti jantung. Oleh kerana sifat elektrik pengecutan jantung, seseorang dapat mencatat perubahan voltan dengan meletakkan elektrod pada kulit dan memproses isyarat. Plot voltan ini dari masa ke masa dipanggil elektrokardiogram (ECG untuk jangka pendek). ECG biasanya digunakan untuk mendiagnosis pelbagai bentuk kegagalan jantung, atau memantau tekanan pesakit secara pasif. ECG yang sihat mempunyai ciri-ciri khusus yang universal antara manusia. (Ini merangkumi gelombang P, gelombang Q, gelombang R, gelombang S, gelombang T, dan kompleks QRS.) Saya telah menyediakan gambarajah ringkas ECG dengan tindak balas jantung yang sesuai.

-

Perhatikan bahawa setiap kejadian elektrik yang berlaku di saraf jantung sesuai dengan peristiwa fizikal yang berlaku akibatnya pada tisu otot, dan sementara satu bahagian jantung berkontraksi, bahagian yang lain terasa santai. Dengan cara ini, masa isyarat elektrik sangat penting di jantung, yang menjadikan ECG sebagai alat yang sangat kuat dalam mengukur kesihatan jantung.

-

Untuk kita merekodkan ECG yang sebenarnya, banyak masalah logistik yang dimainkan seperti ukuran isyarat, jumlah bunyi yang datang dari bahagian badan yang lain, dan jumlah bunyi yang datang dari persekitaran. Untuk mengimbanginya, kami merancang litar yang akan terdiri daripada 3 bahagian: penguat pembezaan untuk meningkatkan ukuran isyarat kami, penapis lulus rendah untuk menghilangkan bunyi isyarat frekuensi tinggi, dan penapis takik untuk mengeluarkan bunyi 60 Hz yang selalu ada di bangunan yang dibekalkan dengan kuasa AC. Saya akan menerangkan langkah-langkah ini secara terperinci kepada anda di bawah.

[Gambar diambil dari

Langkah 2: Kumpulkan Bekalan Anda

Untuk projek ini, anda memerlukan:

- 1 papan roti besar (mempunyai 2 atau lebih akan lebih baik)

- 5 op-amp am

(Saya menggunakan UA741 dengan + -15 V, pastikan yang anda pilih dapat mengendalikan 15 volt, jika tidak, anda perlu menyesuaikan nilai komponen pasif anda dan anda perlu mengurangkan penguatan)

Perintang

o 2x 165 ohm

o 3x 1k ohm

o 2x 15k ohm

o 2x 33k ohm

o 1x 42k ohm

o 2x 60k ohm

Kapasitor

o 2x 22nF

o 2x 1μF

o 1x 2Μf

- Sebilangan besar atau wayar pelompat

- Sumber voltan DC yang mampu menyediakan + -15 V

- Penjana fungsi dan osiloskop (terutamanya untuk menyelesaikan masalah)

- Sekurang-kurangnya tiga elektrod melekit jika anda merancang untuk merakam ECG sebenar

- Kabel yang cukup untuk menghubungkan semua omong kosong ini

- Pemahaman yang tegas mengenai rangkaian, op-amp, dan pengalaman dengan papan roti.

Sekiranya anda baru mendapat papan roti untuk ulang tahun anda dan ingin mencuba sesuatu yang menarik dengannya, lakukan sekurang-kurangnya beberapa binaan yang lebih sederhana sebelum anda mencubanya.

-

Langkah 3: Bina Penguat Pembezaan

Penguat pembezaan adalah apa yang akan menguatkan isyarat yang dirakam kita ke tahap yang dapat digunakan untuk ditampilkan pada ruang lingkup atau skrin. Reka bentuk litar ini akan mengambil perbezaan voltan dari dua elektrod input dan menguatkannya. Ini dilakukan untuk mengurangkan kebisingan, kerana kebisingan umum antara elektrod akan dihilangkan. Isyarat ECG akan bervariasi dalam amplitud bergantung pada penempatan elektrod rakaman dan individu, tetapi biasanya mengikut pesanan beberapa milivol ketika merakam dari pergelangan tangan. (Walaupun tidak diperlukan untuk penyiapan ini, amplitud isyarat dapat ditingkatkan dengan meletakkan elektrod di dada, tetapi pertukaran adalah kebisingan dari pergerakan paru-paru.)

-

Saya telah memasukkan skema penyediaan. Litar dalam gambar harus menguatkan isyarat anda ~ 1000 kali ganda. Anda mungkin perlu menyesuaikannya bergantung pada jenis op-amp yang anda putuskan untuk digunakan. Cara cepat untuk menyesuaikannya adalah dengan mengubah nilai R1. Dengan mengurangkan nilai R1 menjadi separuh, anda akan menggandakan keuntungan output dan sebaliknya.

-

Saya menganggap bahawa sebahagian besar daripada anda dapat menterjemahkan litar ini ke papan roti, namun saya telah menyertakan gambarajah penyediaan papan roti untuk melancarkan proses dan semoga dapat mengurangkan masa penyelesaian masalah anda. Saya juga telah menyertakan gambar pinout UA741 (atau LM741) untuk kemudahan anda. (untuk tujuan anda, anda tidak akan memerlukan pin 1, 5, atau 8) Pin V + dan V pada op-amp akan disambungkan ke bekalan +15 V dan -15 V masing-masing. -15V tidak sama dengan tanah! Anda boleh mengabaikan kapasitor di papan roti saya. Mereka adalah kapasitor pintasan yang bertujuan untuk menghilangkan kebisingan AC, tetapi dalam retrospeksi tidak sepadan dengan usaha itu.

-

Saya cadangkan menguji setiap peringkat semasa anda menyelesaikannya untuk menyelesaikan masalah. Seperti yang ditunjukkan oleh litar, anda boleh menyambungkan salah satu input ke tanah, dan yang lain ke sumber DC kecil untuk memeriksa penguatan. (pastikan anda memasukkan <15 mV jika tidak, anda akan memenuhi op-amp). Sekiranya anda perlu mengurangkan keuntungan anda untuk ujian, jangan keringat, apa-apa keuntungan melebihi 500 kali ganda akan mencukupi untuk tujuan kami. Lebih-lebih lagi, jika anda membina litar anda untuk memperoleh keuntungan 1000 dan itu hanya menunjukkan keuntungan 800, itu bukan akhir dunia, bilangan tepatnya tidak kritikal.

-

Langkah 4: Bina Notch Filter

Sekarang kita dapat menguatkan isyarat kita, mari lihat membersihkannya. Sekiranya anda menghubungkan elektrod ke litar kami sekarang, ia mungkin mempunyai banyak bunyi 60 Hz. Ini kerana kebanyakan bangunan berwayar dengan arus AC 60 Hz menyebabkan isyarat bunyi yang besar. Untuk mengatasinya, kami akan membina saringan takik 60 Hz. Penapis takik direka untuk mengurangkan frekuensi yang sangat spesifik dan membiarkan frekuensi lain tidak tersentuh; sesuai untuk menghilangkan kebisingan 60 Hz.

-

Seperti sebelumnya, saya telah menyertakan gambar skema litar, penyediaan papan roti, dan litar saya sendiri. Sebagai nota, walaupun saringan takik adalah tahap yang agak mudah untuk dibina, saya memerlukan masa paling lama untuk bekerja. Input saya dilemahkan dengan baik, tetapi pada 63 Hz dan bukannya 60 Hz, yang tidak akan memotongnya. Sekiranya anda menghadapi masalah yang sama, saya mengesyorkan agar anda menukar nilai R14 anda. (Meningkatkan rintangan R14 akan menurunkan frekuensi pelemahan anda dan sebaliknya). Sekiranya anda mempunyai kotak perintang yang berubah-ubah, gunakannya untuk menggantikan R14, kemudian mainan dengan nilai rintangan untuk mengetahui dengan tepat apa yang terbaik, kerana ia akan sensitif terhadap perubahan pada urutan ohm tunggal. Saya berakhir dengan R14 175 ohm, tetapi secara teori ia berfungsi paling sesuai dengan R12.

-

Sekali lagi, anda boleh menguji tahap ini dengan menggunakan generator fungsi untuk memasukkan gelombang sinus 60 Hz dan merakam output anda pada osiloskop. Output anda hendaklah sekitar -20 dB atau 10% amplitud input. Seperti yang saya katakan sebelumnya, anda boleh memeriksa frekuensi berdekatan untuk pengoptimuman.

-

Langkah 5: Bina Penapis Lorong Rendah

Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, faktor penting lain ialah mengurangkan bunyi dari badan anda dan apa sahaja yang menggegarkan ruangan yang anda masuki. Penapis lulus rendah bagus untuk melakukan ini kerana, sejauh isyarat pergi, degupan jantung anda cukup perlahan. Matlamat kami dengan penapis lorong rendah adalah untuk menghilangkan semua isyarat yang mengandungi frekuensi lebih tinggi daripada ECG anda. Untuk melakukan ini, kita perlu menetapkan "frekuensi pemotongan". Dalam kes kami, semua perkara di atas frekuensi ini yang ingin kami hapuskan, dan semua yang berada di bawah frekuensi ini yang ingin kami pertahankan. Walaupun degupan jantung berlaku pada urutan 1 hingga 3 Hertz, bentuk gelombang individu yang membentuk ECG kita terdiri daripada frekuensi yang jauh lebih tinggi daripada ini; berhampiran 1 hingga 50 Hertz. Oleh kerana itu, saya memilih frekuensi pemotongan 80 Hz. Cukup tinggi untuk menyimpan semua komponen berguna dalam isyarat, tetapi masih dapat mengurangkan kebisingan dari radio HAM yang anda miliki di ruangan sebelah.

-

Saya tidak mempunyai nasihat bijak mengenai saringan lorong rendah, sangat mudah berbanding dengan peringkat lain. Begitu juga dengan penguat, jangan risau mendapat potongan tepat pada 80 Hz; ini tidak penting dan tidak akan berlaku secara realistik. Walaupun begitu, anda harus memeriksa outputnya dengan menggunakan fungsi penjana. Sebagai aturan praktis, gelombang sinus harus melalui penyaring yang tidak disentuh pada 10 Hz, dan harus dipotong separuh oleh 130 Hz.

-

Langkah 6: Sambungkannya

Sekiranya anda berjaya sejauh ini, selamat! Anda mempunyai semua komponen ECG. Yang perlu anda lakukan ialah menghubungkannya bersama-sama, menampar elektrod, dan menghubungkan output ke osiloskop untuk melihat EKG anda!

-

Sekiranya anda tidak pasti cara memasang elektrod, saya cadangkan untuk melekatkan elektrod input di pergelangan tangan anda (satu di setiap pergelangan tangan) dan menyambungkan elektrod tanah ke kaki anda (gambar boleh membantu.) Sebagai peringatan, setiap elektrod input harus berikan input positif pada op-amp di penguat. (Ia hanya dibumikan dalam rajah litar untuk tujuan simulasi)

-

Setelah anda berhubung, sambungkan output penapis lorong rendah ke osiloskop dan bangga dengan diri anda! Jadikan semua anak anda memakai elektrod dan perhatikan degupan jantung mereka. Ya, buat jiran anda datang mencubanya. Sekiranya anda merasa lebih bermotivasi, sambungkan outputnya ke mikrokontroler untuk mengira degupan jantung dari single. (Anda mungkin mahu menurunkan penguatan sebelum anda melakukan ini, mungkin menggoreng papan yang anda gunakan). Walau apa pun, selamat membina, dan selamat mencuba!

[Gambar diambil dari