Litar Elektrokardiogram (ECG): 7 Langkah

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

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

Kami adalah dua pelajar dalam Kejuruteraan Bioperubatan dan setelah mengikuti kelas litar pertama kami, kami cukup teruja dan memutuskan untuk menggunakan asas-asas yang kami pelajari untuk melakukan sesuatu yang berguna: memaparkan ECG dan membaca degupan jantung. Ini akan menjadi litar paling kompleks yang kami buat!

Beberapa latar belakang ECG:

Banyak alat elektrik digunakan untuk mengukur dan merakam aktiviti biologi dalam tubuh manusia. Salah satu alat tersebut ialah elektrokardiogram, yang mengukur isyarat elektrik yang dihasilkan oleh jantung. Isyarat ini memberi maklumat objektif mengenai struktur dan fungsi jantung. ECG pertama kali dikembangkan pada tahun 1887 dan memberi doktor cara baru untuk mendiagnosis komplikasi jantung. ECG dapat mengesan irama jantung, degupan jantung, serangan jantung, bekalan darah dan oksigen yang tidak mencukupi ke jantung, dan kelainan struktur. Dengan menggunakan reka bentuk litar sederhana, ECG dapat dibuat yang dapat memantau semua perkara ini.

Langkah 1: Bahan

Membina litar

Bahan asas yang diperlukan untuk membina litar ditunjukkan dalam gambar. Ia merangkumi:

• Papan roti

• Penguat operasi

  • Semua amp yang digunakan dalam litar ini adalah LM741.
  • Untuk maklumat lebih lanjut, lihat lembar data:
• Perintang
• Kapasitor
• Wayar

• Elektrod lekat

  Ini hanya diperlukan jika anda memutuskan untuk mencuba litar pada orang yang sebenar

Perisian yang digunakan merangkumi:

• Tinjauan Makmal 2016
• CircuitLab atau PSpice untuk simulasi untuk memeriksa nilai

• Excel

  Ini sangat digalakkan sekiranya anda perlu mengubah sebarang ciri litar anda. Anda mungkin juga perlu bermain dengan nombor sehingga anda menemui nilai perintang dan kapasitor yang tersedia. Pengiraan pen dan kertas tidak digalakkan untuk ini! Kami telah melampirkan pengiraan spreadsheet untuk memberi idea

Menguji litar

Anda juga memerlukan beberapa peralatan elektronik yang lebih besar:

• Bekalan kuasa DC
• Papan DAQ untuk menghubungkan rangkaian ke LabVIEW
• Penjana fungsi untuk menguji litar
• Osiloskop untuk litar ujian

Langkah 2: Penguat Instrumentasi

Mengapa kita memerlukannya:

Kami akan membina penguat instrumentasi untuk memperkuat amplitud kecil yang diukur dari badan. Menggunakan dua penguat pada peringkat pertama kita akan membolehkan kita membatalkan kebisingan yang dihasilkan oleh badan (yang akan sama di kedua-dua elektrod). Kami akan menggunakan dua tahap keuntungan yang hampir sama - ini melindungi pengguna jika sistem dihubungkan dengan seseorang dengan menghalang semua keuntungan berlaku di satu tempat. Oleh kerana amplitud normal isyarat ECG adalah antara 0.1 dan 5 mV, kami ingin keuntungan penguat instrumen menjadi kira-kira 100. Toleransi yang boleh diterima pada penguatan ialah 10%.

Cara membinanya:

Dengan menggunakan spesifikasi ini dan persamaan yang dilihat dalam jadual (gambar yang dilampirkan), kami mendapati nilai perintang kami adalah R1 = 1.8 kiloOhms, R2 = 8.2 kiloOhms, R3 = 1.5 kiloOhms, dan R4 = 15 kiloOhms. K1 adalah keuntungan tahap pertama (OA1 dan OA2), dan K2 adalah keuntungan tahap kedua (OA3). Kapasitor pintas kapasitans sama digunakan pada bekalan kuasa penguat operasi untuk menghilangkan bunyi.

Cara mengujinya:

Segala isyarat yang dimasukkan ke dalam penguat instrumentasi harus diperkuat dengan 100. Menggunakan dB = 20log (Vout / Vin) ini bermaksud nisbah 40 dB. Anda boleh mensimulasikannya di PSpice atau CircuitLab, atau menguji peranti fizikal, atau kedua-duanya!

Imej osiloskop yang dilampirkan menunjukkan kenaikan 1000. Untuk ECG sebenar, ini terlalu tinggi!

Langkah 3: Penapis Notch

Mengapa kita memerlukannya:

Kami akan menggunakan penekan takik untuk mengeluarkan bunyi 60 Hz yang terdapat di semua bekalan kuasa di Amerika Syarikat.

Cara membinanya:

Kami akan menetapkan faktor kualiti Q menjadi 8, yang akan memberikan output penapisan yang dapat diterima sambil mengekalkan nilai komponen dalam jarak yang layak. Kami juga menetapkan nilai kapasitor menjadi 0.1 μF sehingga pengiraan hanya mempengaruhi perintang. Nilai perintang yang dikira dan digunakan dapat dilihat pada jadual (dalam gambar) atau di bawah

• Q = w / B

  tetapkan Q hingga 8 (atau pilih sendiri berdasarkan keperluan anda sendiri)

• w = 2 * pi * f

  gunakan f = 60 Hz

• C

  tetapkan ke 0.1 uF (atau pilih nilai anda sendiri dari kapasitor yang tersedia)

• R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

  Kira. Nilai kami ialah 1.66 kohm

• R2 = 2 * Q / (w * C)

  Kira. Nilai kami ialah 424.4 kohm

• R3 = R1 * R2 / (R1 + R2)

  Kira. Nilai kami ialah 1.65 kohm

Cara mengujinya:

Penapis takik harus melepasi semua frekuensi yang tidak berubah kecuali yang sekitar 60 Hz. Ini dapat diperiksa dengan sapuan AC. Penapis dengan keuntungan -20 dB pada 60 Hz dianggap baik. Anda boleh mensimulasikannya di PSpice atau CircuitLab, atau menguji peranti fizikal, atau kedua-duanya!

Saringan takik jenis ini dapat menghasilkan takik yang baik dalam sapuan AC yang disimulasikan, tetapi ujian fizikal menunjukkan bahawa nilai asal kami menghasilkan takik pada frekuensi yang lebih rendah daripada yang diharapkan. Untuk memperbaikinya, kami menaikkan R2 sekitar 25 kohm.

Imej osiloskop menunjukkan penapis mengurangkan besarnya isyarat input pada 60 Hz. Grafik menunjukkan sapuan AC untuk saringan takik berkualiti tinggi.

Langkah 4: Penapis lulus rendah

Mengapa kita memerlukannya:

Peringkat terakhir peranti adalah penapis lorong rendah aktif. Isyarat ECG terbuat dari banyak bentuk gelombang yang berbeza, yang masing-masing mempunyai frekuensi tersendiri. Kami ingin merakam semua ini, tanpa ada bunyi frekuensi tinggi. Frekuensi pemotongan standard untuk monitor ECG 150 Hz dipilih. (Potongan yang lebih tinggi kadang-kadang dipilih untuk memantau masalah jantung tertentu, tetapi untuk projek kami, kami akan menggunakan potongan normal.)

Sekiranya anda ingin membuat litar yang lebih sederhana, anda juga boleh menggunakan penapis lulus rendah pasif. Ini tidak termasuk op amp, dan hanya terdiri daripada perintang bersiri dengan kapasitor. Voltan keluaran akan diukur di seluruh kapasitor.

Cara membinanya:

Kami akan merancangnya sebagai penapis Butterworth pesanan kedua, yang mempunyai pekali a dan b masing-masing sama dengan 1.414214 dan 1. Menetapkan keuntungan menjadi 1 menjadikan penguat operasi menjadi pengikut voltan. Persamaan dan nilai yang dipilih ditunjukkan dalam jadual (dalam gambar) dan di bawah.

• w = 2 * pi * f

  tetapkan f = 150 Hz

• C2 = 10 / f

  Kira. Nilai kami ialah 0.067 uF

• C1 <= C2 * (a ^ 2) / (4b)

  Kira. Nilai kami ialah 0.033 uF

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

  Kira. Nilai kami ialah 18.836 kohm

• R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2)

  Kira. Nilai kami ialah 26.634 kohm

Cara mengujinya:

Penapis harus melewati frekuensi di bawah potongan tidak berubah. Ini boleh diuji dengan menggunakan sapuan AC. Anda boleh mensimulasikannya di PSpice atau CircuitLab, atau menguji peranti fizikal, atau kedua-duanya!

Gambar osiloskop menunjukkan tindak balas penapis pada 100 Hz, 150 Hz, dan 155 Hz. Litar fizikal kami mempunyai jarak dekat dengan 155 Hz, ditunjukkan oleh nisbah -3 dB.

Langkah 5: Penapis lulus tinggi

Mengapa kita memerlukannya:

Penapis lulus tinggi digunakan supaya frekuensi di bawah nilai pemotongan tertentu tidak dicatat, yang membolehkan isyarat bersih dilalui. Frekuensi pemotongan dipilih menjadi 0.5 Hz (nilai standard untuk monitor ECG).

Cara membinanya:

Nilai perintang dan kapasitor yang diperlukan untuk mencapainya dapat dilihat di bawah. Rintangan sebenar kami yang digunakan ialah 318.2 kohm.

• R = 1 / (2 * pi * f * C)

  • tetapkan f = 0,5 Hz, dan C = 1 uF
  • Hitung R. Nilai kami ialah 318.310 kohm

Cara mengujinya:

Penapis harus melewati frekuensi di atas potongan tidak berubah. Ini boleh diuji dengan menggunakan sapuan AC. Anda boleh mensimulasikannya di PSpice atau CircuitLab, atau menguji peranti fizikal, atau kedua-duanya!

Langkah 6: Menyiapkan Makmal

Carta alir menyusun konsep reka bentuk bahagian LabVIEW projek yang merekodkan isyarat pada kadar persampelan tinggi dan memaparkan kadar denyutan jantung (BPM) dan ECG. Litar LabView kami mengandungi komponen berikut: pembantu DAQ, array indeks, operator aritmetik, pengesanan puncak, penunjuk berangka, grafik bentuk gelombang, perubahan masa, pengecam maksimum / min, dan pemalar nombor. Pembantu DAQ diatur untuk mengambil sampel berterusan pada kadar 1 kHz, dengan jumlah sampel berubah antara 3, 000 dan 5, 000 sampel untuk tujuan pengesanan puncak dan kejelasan isyarat.

Arahkan kursor ke pelbagai komponen dalam rajah litar untuk membaca di LabVIEW untuk mencarinya!

Langkah 7: Mengumpulkan Data

Setelah rangkaian dipasang, data dapat dikumpulkan untuk melihat apakah ia berfungsi! Hantar ECG simulasi melalui litar pada 1 Hz. Hasilnya mestilah isyarat ECG bersih di mana kompleks QRS, gelombang P, dan gelombang T dapat dilihat dengan jelas. Denyut jantung juga harus menunjukkan 60 denyut seminit (bpm). Untuk menguji litar dan persediaan LabVIEW lebih lanjut, ubah frekuensi menjadi 1.5 Hz dan 0.5 Hz. Denyut jantung masing-masing berubah menjadi 90 bpm dan 30 bpm.

Agar degupan jantung yang lebih perlahan dapat ditampilkan dengan tepat, anda mungkin perlu menyesuaikan tetapan DAQ untuk menunjukkan lebih banyak gelombang per grafik. Ini dapat dilakukan dengan menambahkan bilangan sampel.

Sekiranya anda memilih untuk menguji peranti pada manusia, pastikan bekalan kuasa yang anda gunakan untuk penguat kuasa menghadkan arus pada 0.015 mA! Terdapat beberapa konfigurasi plumbum yang dapat diterima tetapi kami memilih untuk meletakkan elektrod positif di pergelangan kaki kiri, elektrod negatif di pergelangan tangan kanan, dan elektrod tanah di pergelangan kaki kanan seperti yang dilihat pada gambar yang dilampirkan.

Dengan menggunakan beberapa konsep litar asas dan pengetahuan tentang hati manusia, kami telah menunjukkan kepada anda cara membuat peranti yang menyeronokkan dan berguna. Kami harap anda menikmati tutorial kami!