ЭКГ и монитор сердечного ритма: 6 шагов

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

Электрокардиограмма, также называемая ЭКГ, - это тест, который определяет и записывает электрическую активность человеческого сердца. Он определяет частоту сердечных сокращений, а также силу и синхронизацию электрических импульсов, проходящих через каждую часть сердца, что позволяет определять проблемы с сердцем, такие как сердечные приступы и аритмия. ЭКГ в больницах включает двенадцать электродов, прикладываемых к коже груди, рук и ног. В этом трудноизлечимом мы используем только три электрода, по одному на каждое запястье в качестве двух точек записи и один для правой лодыжки в качестве заземления. Важно отметить, что это не медицинское устройство. 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.

Чтобы получить и проанализировать сигнал ЭКГ человека, нам понадобится инструментальный усилитель, который усиливает входной сигнал на 1000, режекторный фильтр, удаляющий шум переменного тока (60 Гц), и фильтр нижних частот, который фильтрует другие шумы выше 250 Гц. Отсечка 250 Гц используется, потому что частотный диапазон ЭКГ человека составляет от 0 до 250 Гц.

Шаг 1: материалы

Генератор функций, Блок питания, Осциллограф, Макетная плата.

Резисторы: 1 кОм - 500 кОм

Конденсаторы: 20 - 100 нФ

Операционный усилитель x5 (UA741)

Шаг 2: Создайте инструментальный усилитель

Обратимся к схеме и уравнениям инструментального усилителя. Сначала нам нужно рассчитать правильные значения резисторов. Поскольку инструментальный усилитель имеет 2 каскада, имеется два отдельных коэффициента усиления, k1 и k2. Поскольку нам нужен коэффициент усиления 1000, умножение k1 на k2 должно быть равно тысяче. В этом руководстве мы использовали следующие значения, не стесняйтесь изменять эти значения, если у вас нет широкого диапазона резисторов.

R1 = 1000 Ом, R2 = 15000 Ом, следовательно, K1 = 1 + (2 * 15000) / 1000 = 31 R3 = 1000 Ом, R4 = 32000 Ом, следовательно, K2 = 32000/1000 = 32

Теперь, когда вы знаете, какие номиналы резисторов вам нужны, приступайте к созданию схемы.

Чтобы проверить инструментальный усилитель, вы можете использовать генератор функций для генерации синусоидальной волны с известной амплитудой, подключить его ко входу схемы и подключить выход усилителя к осциллографу, вы должны увидеть синусоидальную волну с амплитудой в 1000 раз больше, чем входная синусоида

Шаг 3. Создайте режекторный фильтр

Как и в случае с инструментальным усилителем, обратитесь к схеме и уравнениям, чтобы найти подходящие значения компонентов. Мы знаем, что в этом режекторном фильтре нам нужно вырезать частоты 60 Гц, поэтому f0 равно 60 Гц, мы также собираемся использовать коэффициент качества 8, который даст нам хорошую точность. Используя эти значения, мы теперь можем найти соответствующие значения компонентов:

C = 100 нФ, Q = 8, w0 = 2ℼf = 2 * pi * 60 = 120pi

R1 = 1 / (2 * 8 * 120 * пи * 100 * 10 ^ -9) = 1658 Ом

R2 = (2 * 8) / (120 * пи * 100 * 10 ^ -9) = 424 кОм

R3 = (1658 * 424000) / (1658 + 424000) = 1651 Ом

Теперь, когда вы знаете значения компонентов, которые вам нужны, приступайте к созданию схемы. Не то чтобы вы могли использовать резисторы параллельно или последовательно, чтобы получить значения, максимально приближенные к необходимым значениям.

Чтобы проверить режекторный фильтр, вы можете выполнить частотную развертку. Введите синусоидальную волну с амплитудой 0,5 В и измените частоту. Посмотрите, как изменяется амплитуда выходного сигнала, подключенного к осциллографу, когда вы приближаетесь к 60 Гц. Например, когда ваша частота ниже 50 или выше 70, вы должны увидеть выходной сигнал, аналогичный входному, но чем ближе вы подойдете к 60 Гц, амплитуда должна уменьшиться. Если этого не произошло, проверьте свою схему и убедитесь, что вы использовали правильные значения резистора.

Шаг 4. Создайте фильтр Баттерворта второго порядка

Мы использовали фильтр нижних частот активного второго порядка. Этот фильтр используется, потому что он дает нам достаточно хорошую точность и, хотя он требует энергии, но производительность лучше. Фильтр предназначен для отсечки частот выше 250 Гц. Это связано с тем, что сигнал ЭКГ имеет другую частотную составляющую, которая находится между нулем и 250 Гц, и любой сигнал с частотой выше 250 Гц будет считаться шумом. На первом изображении показана схема фильтра нижних частот со всеми правильными номиналами резисторов (обратите внимание, что сопротивление R7 должно быть 25632 Ом вместо 4 кОм). Второе изображение включает в себя все уравнения, которые вы можете использовать для самостоятельного расчета значений компонентов.

Чтобы проверить фильтр нижних частот, используйте генератор функций для генерации синусоидальной волны с амплитудой 0,5 В. При вводе частот ниже 250 Гц вы должны увидеть выход, аналогичный входному, но чем больше вы получите после 250 Гц, выход должен стать меньше и в конечном итоге стать действительно близким к нулю.

Шаг 5: Соберите все вместе

После того, как вы закончили построение трех каскадов, соедините их все вместе, поставив инструментальный усилитель, затем режекторный фильтр, а затем фильтр нижних частот. Ваша схема должна быть похожа на это изображение.

Шаг 6: Тестирование всей цепи

Используя функциональный генератор, введите произвольный сигнал ЭКГ с амплитудой не более 15 мВ на вход инструментального усилителя. Подключите выход фильтра нижних частот к осциллографу. Вы должны получить результат, подобный этому изображению. Зеленый сигнал - это выход платы, а желтый сигнал - входной сигнал для схемы. Вы также можете измерить частоту сердечных сокращений, получив частоту с помощью осциллографа и умножив это число на 60.

Обратите внимание: если вы хотите измерить собственный сигнал ЭКГ, вы можете сделать это, подключив два входа инструментального усилителя к каждому из ваших запястий с помощью электрода и заземлив ногу. Просто держитесь середины, прежде чем делать это, убедитесь, что в цепи и соединениях цепи с прибором используются надлежащие методы изоляции.