Сделайте свою собственную электрокардиограмму (ЭКГ): 6 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

УВЕДОМЛЕНИЕ:

Это не медицинский прибор. Это только в образовательных целях с использованием имитированных сигналов. При использовании этой схемы для реальных измерений ЭКГ убедитесь, что в цепи и соединениях цепи с прибором используется питание от батареи и другие надлежащие методы изоляции.

[Изображение взято с

Шаг 1. Знайте свои вещи

Электрокардиограмма (ЭКГ) - важный инструмент, используемый врачами для контроля электрической активности сердца. Это полезно для регистрации всего, от аномального сердечного ритма до диагностики теплового сбоя. Следуя этому Руководству, вы сможете построить устройство, которое отображает электрокардиограмму человека, используя только базовые навыки макетирования, и общее лабораторное оборудование для электроники. Когда у вас будет хороший выходной сигнал, вы можете использовать этот же сигнал для расчета частоты пульса или другой интересной метрики с помощью микроконтроллера.

-

Если вы не знаете, что такое ЭКГ, это просто запись сердечной деятельности. Из-за электрической природы сокращений сердца можно записать изменение напряжения, поместив электроды на кожу и обработав сигнал. График изменения этих напряжений во времени называется электрокардиограммой (сокращенно ЭКГ). ЭКГ обычно используются для диагностики различных форм сердечной недостаточности или пассивного мониторинга стресса пациента. У здоровой ЭКГ есть специфические особенности, универсальные для людей. (Это включает зубец P, зубец Q, зубец R, зубец S, зубец T и комплекс QRS.) Я представил упрощенную диаграмму ЭКГ с соответствующей реакцией сердца.

-

Обратите внимание, что каждое электрическое событие, происходящее в сердечных нервах, соответствует физическому событию, которое, следовательно, происходит в мышечной ткани, и пока одна часть сердца сокращается, другие части расслабляются. Таким образом, для сердца очень важна синхронизация электрических сигналов, что делает ЭКГ очень мощным инструментом для измерения здоровья сердца.

-

Однако для записи реальной ЭКГ в игру вступают многие логистические проблемы, такие как размер сигнала, количество шума, исходящего от остальной части тела, и количество шума, исходящего из окружающей среды. Чтобы компенсировать это, мы разрабатываем схему, которая будет состоять из 3 частей: дифференциального усилителя для увеличения размера нашего сигнала, фильтра нижних частот для устранения шума высокочастотных сигналов и режекторного фильтра для удаления шума 60 Гц, который всегда присутствует в зданиях, питаемых переменным током. Ниже я подробно опишу вам эти шаги.

[Изображение взято с

Шаг 2. Соберите припасы

Для этого проекта вам понадобятся:

- 1 большая макетная плата (хотя будет лучше иметь 2 или более)

- 5 операционных усилителей общего назначения

(Я использовал UA741 с + -15 В, просто убедитесь, что выбранные вами могут выдерживать 15 вольт, иначе вам придется отрегулировать значения ваших пассивных компонентов, и вам придется довольствоваться меньшим усилением)

резисторы

o 2x 165 Ом

o 3x 1 кОм

o 2x 15 кОм

o 2x 33 кОм

o 1x 42 кОм

o 2x 60 кОм

Конденсаторы

o 2x 22 нФ

o 2x 1 мкФ

o 1x 2Μf

- Множество перемычек или перемычек

- Источник постоянного напряжения, обеспечивающий + -15 В

- Функциональный генератор и осциллограф (в основном для поиска неисправностей)

- По крайней мере, три липких электрода, если вы планируете записывать настоящую ЭКГ

- Кабелей хватит на всю эту ерунду

- Твердое понимание схем, операционных усилителей и опыт макетирования.

Если вы только что получили макетную плату на день рождения и хотите попробовать сделать из нее что-нибудь крутое, сделайте хотя бы несколько более простых сборок, прежде чем попробовать это.

-

Шаг 3: Создайте дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель - это то, что усиливает наш записанный сигнал до приемлемого уровня для отображения на осциллографе или экране. Эта схема принимает разницу в напряжении с двух входных электродов и усиливает ее. Это сделано для уменьшения шума, так как будет устранен общий шум между электродами. Сигнал ЭКГ будет варьироваться по амплитуде в зависимости от расположения записывающих электродов и человека, но обычно составляет несколько милливольт при записи с запястий. (Хотя в этом нет необходимости, амплитуду сигнала можно увеличить, поместив электроды на грудную клетку, но компромисс - шум от движения легких.)

-

Я включил схему установки. Схема на картинке должна усилить ваш сигнал в ~ 1000 раз. Возможно, вам придется отрегулировать это в зависимости от типа операционного усилителя, который вы решили использовать. Быстрый способ отрегулировать это - изменить значение R1. Уменьшая значение R1 вдвое, вы удвоите усиление на выходе и наоборот.

-

Я предполагаю, что большинство из вас может перенести эту схему на макетную плату, тем не менее, я включил схему настройки макета, чтобы упростить процесс и, надеюсь, сократить ваше время на устранение неполадок. Я также включил изображение распиновки UA741 (или LM741) для вашего удобства. (для ваших целей вам не понадобятся контакты 1, 5 или 8). Контакты V + и V- на операционном усилителе будут подключены к источнику питания +15 В и -15 В соответственно. -15В это не земля! Вы можете не обращать внимания на конденсаторы на моей макетной плате. Это байпасные конденсаторы, предназначенные для устранения шума переменного тока, но, оглядываясь назад, не стоило затраченных усилий.

-

Я рекомендую тестировать каждый этап по мере его выполнения для устранения неполадок. Как показано на схеме, вы можете подключить один из входов к земле, а другой - к небольшому источнику постоянного тока, чтобы проверить усиление. (убедитесь, что вы вводите <15 мВ, иначе операционные усилители будут насыщены). Если вам нужно уменьшить свой выигрыш для тестирования, не переживайте, для наших целей будет достаточно всего, что превышает 500-кратный выигрыш. Более того, если вы построили свою схему с коэффициентом усиления 1000, а он показывает коэффициент усиления только 800, это еще не конец света, точное число не имеет решающего значения.

-

Шаг 4: Создайте режекторный фильтр

Теперь, когда мы можем усилить наш сигнал, давайте посмотрим, как его очистить. Если бы вы сейчас подключили электроды к нашей схеме, она, вероятно, имела бы тонну шума 60 Гц. Это связано с тем, что в большинстве зданий используется переменный ток 60 Гц, который неизбежно вызывает сильные шумовые сигналы. Чтобы исправить это, мы построим режекторный фильтр на 60 Гц. Режекторный фильтр предназначен для ослабления очень определенных частот и сохранения других частот нетронутыми; идеально подходит для избавления от шума 60 Гц.

-

Как и раньше, я включил изображение принципиальной схемы, макетной платы и моей собственной схемы. В качестве примечания, хотя режекторный фильтр - относительно простой этап для создания, мне потребовалось больше всего времени, чтобы начать работать. Мой вход был ослаблен хорошо, но на 63 Гц вместо 60 Гц, что не срезало его. Если вы столкнетесь с той же проблемой, я рекомендую вам изменить значение R14. (Увеличение сопротивления R14 снизит вашу частоту затухания и наоборот). Если у вас есть блок переменного резистора, используйте его для замены R14, а затем поиграйте со значениями сопротивления, чтобы выяснить, что именно работает лучше всего, поскольку он будет чувствителен к изменениям порядка одного Ом. Я остановился на 175-омном R14, но теоретически он лучше всего подходит для R12.

-

Опять же, вы можете протестировать этот этап, используя функциональный генератор для ввода синусоидальной волны 60 Гц и записи выходного сигнала на осциллографе. Ваш выход должен быть около -20 дБ или 10% амплитуды входного. Как я уже говорил, вы можете проверить близлежащие частоты для оптимизации.

-

Шаг 5: Создайте фильтр нижних частот

Как упоминалось ранее, еще одним важным фактором является снижение шума от вашего тела и всего остального, что гремит в комнате, в которой вы находитесь. Фильтр нижних частот хорош для этого, потому что что касается сигналов, ваше сердцебиение довольно медленное. Наша цель с фильтром нижних частот - устранить все сигналы, которые содержат частоты выше, чем ваша ЭКГ. Для этого нам нужно указать «частоту среза». В нашем случае все, что выше этой частоты, мы хотим исключить, и все, что ниже этой частоты, мы хотим сохранить. Хотя частота сердечных сокращений составляет от 1 до 3 Гц, отдельные формы волны, составляющие нашу ЭКГ, состоят из частот, намного превышающих эту; от 1 до 50 Гц. Из-за этого я выбрал частоту среза 80 Гц. Его достаточно, чтобы удерживать все полезные компоненты в сигнале, но при этом он устраняет шум от радиолюбителя, который у вас есть в соседней комнате.

-

У меня нет мудрых советов по поводу фильтра нижних частот, он очень простой по сравнению с другими ступенями. Как и в случае с усилителем, не беспокойтесь о точном срезе частоты 80 Гц; это не критично и реально не произойдет. Тем не менее, вы должны проверить его вывод с помощью генератора функций. Как показывает практика, синусоидальная волна должна проходить через фильтр нетронутой на частоте 10 Гц и должна быть разрезана пополам на частоте 130 Гц.

-

Шаг 6: Подключите

Если вы зашли так далеко, поздравляю! У вас есть все компоненты ЭКГ. Все, что вам нужно сделать, это соединить их вместе, надеть электроды и подключить выход к осциллографу, чтобы увидеть свою ЭКГ!

-

Если вы не знаете, как надевать электроды, я рекомендую приклеить входные электроды к вашим запястьям (по одному на каждое запястье) и подключить заземляющий электрод к ноге (изображение может помочь). Напоминаем, что каждый входной электрод должен подключитесь к положительному входу операционных усилителей в усилителе. (Он заземлен на принципиальной схеме только для целей моделирования)

-

После подключения подключите выход фильтра нижних частот к осциллографу и гордитесь собой! Заставьте всех своих детей надеть электроды и посмотреть на их сердцебиение. Черт возьми, заставь своих соседей попробовать это. Если вы чувствуете дополнительную мотивацию, подключите выход к микроконтроллеру, чтобы рассчитать частоту сердечных сокращений по синглу. (Вы, вероятно, захотите уменьшить усиление, прежде чем сделать это, это может поджарить доску, которую вы используете). Тем не менее, поздравляю со сборкой и удачного завершения!

[Изображение взято с