Схема ЭКГ: 7 шагов

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

ЭКГ - это тест, который измеряет электрическую активность сердца путем записи сердечного ритма и активности. Он работает, принимая и считывая сигналы от сердца с помощью электродов, подключенных к электрокардиографу. Это руководство покажет вам, как построить схему, которая записывает, фильтрует и отображает биоэлектрический сигнал сердца. Это не медицинский прибор. Это предназначено только для образовательных целей с использованием смоделированных сигналов. При использовании этой схемы для реальных измерений ЭКГ убедитесь, что в цепи и соединениях цепи с прибором используются надлежащие методы изоляции.

Эта схема содержит три различных каскада, соединенных последовательно с программой LabView. Резисторы в инструментальном усилителе были рассчитаны с коэффициентом усиления 975, чтобы гарантировать, что слабые сигналы от сердца все еще могут быть приняты схемой. Режекторный фильтр устраняет шум 60 Гц от сетевой розетки в стене. Фильтр нижних частот обеспечивает удаление высокочастотного шума из схемы для лучшего обнаружения сигнала.

Перед тем, как приступить к этому руководству, было бы полезно ознакомиться с универсальным операционным усилителем uA741. Различные контакты в операционном усилителе имеют разное назначение, и схема не будет работать, если они подключены неправильно. Неправильное подключение контактов к макетной плате также является простым способом поджарить операционный усилитель и сделать его нефункциональным. Ссылка ниже содержит схему операционных усилителей в этом руководстве.

Источник изображения:

Шаг 1. Соберите материалы

Материалы, необходимые для всех 3 ступеней фильтра:

• Осциллограф
• Генератор функций
• Электропитание (+ 15В, -15В)
• Макетная плата без пайки
• Различные банановые кабели и зажимы из крокодиловой кожи
• Наклейки электродов ЭКГ
• Различные перемычки

Инструментальный усилитель:

• 3 операционных усилителя (uA741)

• Резисторы:

  • 1 кОм x 3
  • 12 кОм x 2
  • 39 кОм x 2

Режекторный фильтр:

• 1 операционный усилитель (uA741)

• Резисторы:

  • 1,6 кОм x 2
  • 417 кОм

• Конденсаторы:

  • 100 нФ x 2
  • 200 нФ

Фильтр низких частот:

• 1 операционный усилитель (uA741)

• Резисторы:

  • 23,8 кОм
  • 43 кОм

• Конденсаторы:

  • 22 нФ
  • 47 нФ

Шаг 2: Создайте инструментальный усилитель

Биологические сигналы часто имеют выходное напряжение только от 0,2 до 2 мВ [2]. Эти напряжения слишком малы для анализа на осциллографе, поэтому нам потребовалось построить усилитель.

После того, как ваша схема построена, проверьте, чтобы убедиться, что она работает правильно, измерив напряжение на Vout (показано как узел 2 на изображении выше). Мы использовали функциональный генератор для отправки синусоидальной волны с входным амплитудным напряжением 20 мВ на наш инструментальный усилитель. Все, что слишком сильно превышает это значение, не даст вам результатов, которые вы ищете, потому что операционные усилители получали только определенную мощность от -15 до +15 В. Сравните выход функционального генератора с выходом вашего инструментального усилителя и ищите усиление около 1000 В. (Vout / Vin должно быть очень близко к 1000).

Совет по поиску и устранению неисправностей: убедитесь, что все резисторы находятся в диапазоне кОм.

[2] «Формирование сигнала ЭКГ с высокой эффективностью | Образование | Analog Devices ». [Онлайн]. Доступно: https://www.analog.com/en/education/education-library/articles/high-perf-electrocardiogram-signal-conditioning.html. [Доступ: 10 декабря 2017 г.].]

Шаг 3. Создайте режекторный фильтр

Наш режекторный фильтр был разработан для фильтрации частоты 60 Гц. Мы хотим отфильтровать 60 Гц из нашего сигнала, потому что это частота переменного тока, присутствующего в электрических розетках.

При тестировании режекторного фильтра измерьте отношение пика к пику между графиками входа и выхода. При 60 Гц должно быть соотношение -20 дБ или лучше. Это связано с тем, что при -20 дБ выходное напряжение по существу равно 0 В, что означает, что вы успешно отфильтровали сигнал с частотой 60 Гц! Также проверьте частоты около 60 Гц, чтобы убедиться, что никакие другие частоты не отфильтровываются случайно.

Совет по поиску и устранению неисправностей: если вы не можете получить точно -20 дБ при 60 Гц, выберите один резистор и слегка измените его, пока не получите желаемый результат. Нам пришлось поиграть со значением R2, пока мы не получили желаемых результатов.

Шаг 4: Создайте фильтр нижних частот

Наш фильтр нижних частот был разработан с частотой среза 150 Гц. Мы выбрали это порог, потому что самый широкий диагностический диапазон для ЭКГ составляет 0,05–150 Гц, при условии неподвижности и низкого уровня шума [3]. Фильтр нижних частот способен избавляться от высокочастотного шума, исходящего от мышц или других частей тела [4].

Чтобы проверить эту схему, чтобы убедиться, что она работает правильно, измерьте Vout (показано как узел 1 на принципиальной схеме). При частоте 150 Гц амплитуда выходного сигнала должна быть в 0,7 раза больше амплитуды входного сигнала. Мы использовали входной сигнал 1 В, чтобы было легко увидеть, что наш выход должен быть 0,7 при 150 Гц.

Советы по поиску и устранению неисправностей: пока ваша частота среза находится в пределах нескольких Гц от 150 Гц, ваша схема все еще должна работать. Наша отсечка составила 153 Гц. Диапазон биологических сигналов будет немного колебаться в организме, поэтому, пока вы не отклоняетесь более чем на несколько Гц, ваша схема все еще будет работать.

[3] «Фильтры ЭКГ | MEDTEQ ». [Онлайн]. Доступно: https://www.medteq.info/med/ECGFilters. [Доступ: 10 декабря 2017 г.].

[4] К. Л. Венкатачалам, Дж. Э. Хербрандсон и С. Дж. Асирватам, «Сигналы и обработка сигналов для электрофизиолога: Часть I: Получение электрограмм», Circ. Аритмия Электрофизиол., Т. 4, вып. 6. С. 965–973, декабрь 2011 г.

Шаг 5: Создайте программу LabView

[5] «Проект лаборатории дизайна BME 305» (осень 2017 г.).

Эта блок-схема labview предназначена для анализа сигнала, проходящего через программу, обнаружения пиков ЭКГ, сбора разницы во времени между пиками и математического расчета BPM. Он также выводит график кривой ЭКГ.

Шаг 6: соедините все три этапа

Соедините все три цепи последовательно, соединив выход инструментального усилителя со входом режекторного фильтра, а выход режекторного фильтра - со входом фильтра нижних частот. Подключите выход фильтра нижних частот к помощнику DAQ и подключите помощник DAQ к компьютеру. При соединении цепей вместе убедитесь, что удлинители для каждой макетной платы подключены, а полосы заземления все подключены к одной и той же клемме заземления.

В инструментальном усилителе второй операционный усилитель должен быть незаземлен, чтобы каждый из двух электродных выводов, подключенных к испытуемому, мог подключаться к другому операционному усилителю в первом каскаде этого фильтра.

Шаг 7. Получите сигналы от испытуемого-человека

На каждое запястье следует наклеить по одной наклейке с электродом, а другую - на лодыжку для заземления. Используйте зажимы «крокодил», чтобы подсоединить два электрода на запястье к входам инструментального усилителя, а лодыжку - к заземлению. Когда будете готовы, нажмите «запустить» в программе LabView и посмотрите на экран свой пульс и ЭКГ!