ECG dan Monitor Denyut Jantung: 7 Langkah (dengan Gambar)

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

PEMBERITAHUAN: 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.

Salah satu alat diagnostik terpenting yang digunakan untuk mengesan keadaan ini adalah elektrokardiogram (ECG). Elektrokardiogram berfungsi dengan mengesan impuls elektrik melalui jantung anda dan menghantarnya kembali ke mesin [1]. Isyarat diambil dari elektrod yang diletakkan di badan. Penempatan elektrod sangat penting untuk mengambil isyarat fisiologi kerana ia berfungsi dengan mencatat perbezaan potensi di seluruh badan. Penempatan elektrod standard adalah menggunakan Segitiga Einthoven. Di sinilah satu elektrod diletakkan di lengan kanan, lengan kiri dan kaki kiri. Kaki kiri berfungsi sebagai tanah untuk elektrod dan ia mengeluarkan bunyi frekuensi di badan. Lengan kanan mempunyai elektrod negatif dan kiri mempunyai elektrod positif untuk mengira perbezaan potensi di seluruh dada dan oleh itu mengambil tenaga elektrik dari jantung [2]. Objektif projek ini adalah untuk membuat peranti yang berjaya memperoleh isyarat ECG dan menghasilkan semula isyarat dengan jelas tanpa bunyi dan dengan penambahan pengukuran kadar denyutan jantung.

Langkah 1: Bahan dan Alat

• Pelbagai perintang dan kapasitor
• Papan roti
• Penjana fungsi
• Osiloskop
• Bekalan kuasa DC
• Op-amp
• Komputer dengan LABView terpasang
• Kabel BNC
• Pembantu DAQ

Langkah 2: Bina Penguat Instrumentasi

Untuk menguatkan isyarat bioelektrik dengan secukupnya, penguatan keseluruhan penguat instrumen dua peringkat hendaklah 1000. Setiap peringkat dikalikan untuk mendapatkan keuntungan keseluruhan dan persamaan yang digunakan untuk mengira tahap individu ditunjukkan di bawah.

Tahap 1 Keuntungan: K1 = 1 + 2 * R2 / R1 Tahap 2 Keuntungan: K2 = -R4 / R3

Dengan menggunakan persamaan di atas, nilai perintang yang kami gunakan ialah R1 = 10kΩ, R2 = 150kΩ, R3 = 10kΩ, dan R4 = 33kΩ. Untuk memastikan bahawa nilai-nilai ini akan memberikan output yang diinginkan, anda dapat mensimulasikannya dalam talian atau anda dapat mengujinya menggunakan osiloskop setelah membina penguat fizikal.

Setelah menyambungkan perintang yang dipilih dan op-amp di papan roti, anda perlu menghidupkan op-amp ± 15V dari bekalan kuasa DC. Seterusnya, sambungkan generator fungsi ke input penguat instrumentasi dan osiloskop ke output.

Foto di atas menunjukkan penguat instrumentasi yang lengkap akan kelihatan seperti di papan roti. Untuk memastikan ia berfungsi dengan betul, tetapkan generator fungsi untuk menghasilkan gelombang sinus pada 1kHz dengan amplitud puncak ke puncak 20 mV. Output dari penguat pada osiloskop harus mempunyai amplitudo puncak ke puncak 20 V, kerana terdapat keuntungan 1000, jika berfungsi dengan baik.

Langkah 3: Bina Notch Filter

Oleh kerana kebisingan saluran kuasa, penapis diperlukan untuk menyaring kebisingan pada 60Hz yang merupakan kebisingan saluran kuasa di Amerika Syarikat. Penapis takik digunakan kerana menyaring frekuensi tertentu. Persamaan berikut digunakan untuk mengira nilai perintang. Faktor kualitatif (Q) 8 berfungsi dengan baik dan nilai kapasitor 0.1uF dipilih untuk kemudahan pembinaan. Frekuensi dalam persamaan (digambarkan sebagai w) adalah frekuensi takik 60Hz didarabkan dengan 2π.

R1 = 1 / (2QwC)

R2 = 2Q / (wC)

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

Dengan menggunakan persamaan di atas, nilai perintang yang kami gunakan ialah R1 = 1.5kΩ, R2 = 470kΩ dan R3 = 1.5kΩ. Untuk memastikan bahawa nilai-nilai ini akan memberikan output yang diinginkan, anda dapat mensimulasikannya dalam talian atau anda dapat mengujinya menggunakan osiloskop setelah membina penguat fizikal.

Gambar di atas menunjukkan seperti apa penapis notch yang sudah siap di papan roti. Persediaan untuk op-amp sama dengan penguat instrumentasi dan penjana fungsi kini harus diatur untuk menghasilkan gelombang sinus pada 1kHz dengan amplitud puncak ke puncak 1V. Sekiranya anda melakukan Sapuan AC, anda seharusnya dapat mengesahkan bahawa frekuensi sekitar 60Hz disaring.

Langkah 4: Bina Penapis Lulus Rendah

Untuk menyaring kebisingan frekuensi tinggi yang tidak berkaitan dengan ECG, penapis lulus rendah dibuat dengan frekuensi pemotongan 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)

Dengan menggunakan persamaan di atas, nilai resistor yang kami gunakan adalah R1 = 12kΩ, R2 = 135kΩ, C1 = 0.01 µF, dan C2 = 0.068 µF. Nilai untuk R3 dan R4 akhirnya menjadi sifar kerana kami mahukan keuntungan, K, penapis menjadi sifar, oleh itu kami menggunakan wayar dan bukannya perintang di sini dalam penyediaan fizikal. Untuk memastikan bahawa nilai-nilai ini akan memberikan output yang diinginkan, anda dapat mensimulasikannya dalam talian atau anda dapat mengujinya menggunakan osiloskop setelah membina penguat fizikal.

Untuk membina penapis fizikal, sambungkan perintang dan kapasitor yang dipilih ke op-amp seperti yang ditunjukkan dalam skema. Kuasakan op-amp dan sambungkan penjana fungsi dan osiloskop dengan cara yang sama seperti yang dijelaskan dalam langkah sebelumnya. Tetapkan fungsi fungsi untuk menghasilkan gelombang sinus pada 150Hz dan dengan amplitud puncak-ke-puncak sekitar 1 V. Oleh kerana 150Hz seharusnya frekuensi pemotongan, jika penapis berfungsi dengan baik, magnitud haruslah 3dB pada frekuensi ini. Ini akan memberitahu anda jika penapis dipasang dengan betul.

Langkah 5: Sambungkan Semua Komponen Bersama

Setelah membina setiap komponen dan mengujinya secara berasingan, semuanya dapat dihubungkan secara bersiri. Sambungkan penjana fungsi ke input penguat instrumentasi, kemudian sambungkan outputnya ke input saringan takik. Lakukan ini sekali lagi dengan menyambungkan output saringan takik ke input penapis lorong rendah. Keluaran penapis lorong rendah kemudiannya harus disambungkan ke osiloskop.

Langkah 6: Siapkan Makmal

Bentuk gelombang denyut jantung ECG kemudian ditangkap menggunakan pembantu DAQ dan LabView. Pembantu DAQ memperoleh isyarat analog dan menentukan parameter persampelan. Sambungkan pembantu DAQ ke penjana fungsi yang mengeluarkan isyarat jantung arb dan ke komputer dengan LabView. Siapkan LabView mengikut skema yang ditunjukkan di atas. Pembantu DAQ akan membawa gelombang jantung dari generator fungsi. Tambahkan grafik bentuk gelombang ke persediaan LabView anda juga untuk melihat grafik. Gunakan operator berangka untuk menetapkan ambang untuk nilai maksimum. Dalam skema yang ditunjukkan 80% digunakan. Analisis puncak juga harus digunakan untuk mencari lokasi puncak dan menghubungkannya dengan perubahan waktu. Gandakan frekuensi puncak dengan 60 untuk mengira rentak seminit dan nombor ini dikeluarkan di sebelah grafik.

Langkah 7: Anda Kini Boleh Merakam ECG

[1] "Elektrokardiogram - Pusat Maklumat Jantung Institut Jantung Texas." [Dalam talian]. Terdapat: https://www.texasheart.org/HIC/Topics/Diag/diekg.cfm. [Diakses: 09-Dec-2017].

[2] "ECG Memimpin, Polaritas dan Segitiga Einthoven - Ahli Fisiologi Pelajar." [Dalam talian]. Terdapat: https://thephysiologist.org/study-materials/the-ecg-leads-polarity-and-einthovens-triangle/. [Diakses: 10-Dis-2017].