Схема электрокардиограммы (ЭКГ): 7 шагов

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

Примечание: 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.

Мы два студента факультета биомедицинской инженерии, и после первого занятия по схемам мы были очень взволнованы и решили использовать полученные знания, чтобы сделать что-то полезное: отображать ЭКГ и считывать частоту сердечных сокращений. Это будет самая сложная схема, которую мы когда-либо построили!

Немного предыстории ЭКГ:

Многие электрические устройства используются для измерения и регистрации биологической активности человеческого тела. Одним из таких устройств является электрокардиограмма, которая измеряет электрические сигналы, производимые сердцем. Эти сигналы дают объективную информацию о структуре и функциях сердца. ЭКГ была впервые разработана в 1887 году и дала врачам новый способ диагностики сердечных осложнений. ЭКГ может определять сердечный ритм, частоту сердечных сокращений, сердечные приступы, недостаточное снабжение сердца кровью и кислородом, а также структурные аномалии. Используя простую схему, можно создать ЭКГ, которая могла бы контролировать все эти вещи.

Шаг 1: материалы

Построение схемы

Основные материалы, необходимые для сборки схемы, показаны на рисунках. Они включают:

• Макетная плата

• Операционные усилители

  • В этой схеме используются все операционные усилители LM741.
  • Для получения дополнительной информации см. Техническое описание:
• Резисторы
• Конденсаторы
• Провода

• Наклеиваемые электроды

  Они нужны только в том случае, если вы решили опробовать схему на реальном человеке

Используемое программное обеспечение включает:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab или PSpice для моделирования для проверки значений

• Excel

  Это настоятельно рекомендуется в случае, если вам нужно изменить какие-либо характеристики вашей схемы. Вам также может потребоваться поиграть с числами, пока вы не найдете значения резистора и конденсатора, которые легко доступны. Расчеты на бумаге для этого не рекомендуются! Мы приложили наши расчеты в электронной таблице, чтобы дать представление

Тестирование схемы

Вам также понадобится более крупное электронное оборудование:

• Источник постоянного тока
• Плата DAQ для сопряжения схемы с LabVIEW
• Функциональный генератор для проверки цепи
• Осциллограф для проверки цепи

Шаг 2: инструментальный усилитель

Зачем это нужно:

Мы построим инструментальный усилитель, чтобы усилить небольшую амплитуду, измеренную от тела. Использование двух усилителей в нашем первом каскаде позволит нам нейтрализовать шум, создаваемый телом (который будет одинаковым на обоих электродах). Мы будем использовать два этапа примерно равного усиления - это защищает пользователя, если система подключена к человеку, не позволяя получить весь выигрыш в одном месте. Поскольку нормальная амплитуда сигнала ЭКГ составляет от 0,1 до 5 мВ, мы хотим, чтобы коэффициент усиления инструментального усилителя был около 100. Допустимое отклонение коэффициента усиления составляет 10%.

Как его построить:

Используя эти характеристики и уравнения, приведенные в таблице (прилагаемые изображения), мы обнаружили, что наши значения резистора равны R1 = 1,8 кОм, R2 = 8,2 кОм, R3 = 1,5 кОм и R4 = 15 кОм. K1 - коэффициент усиления первого каскада (OA1 и OA2), а K2 - коэффициент усиления второго каскада (OA3). Шунтирующие конденсаторы одинаковой емкости используются в источниках питания операционных усилителей для устранения шума.

Как это проверить:

Любой сигнал, который подается на инструментальный усилитель, должен быть усилен на 100. Используя дБ = 20log (Vout / Vin), это означает отношение 40 дБ. Вы можете смоделировать это в PSpice или CircuitLab, или протестировать физическое устройство, или и то, и другое!

Прилагаемое изображение осциллографа показывает коэффициент усиления 1000. Для реальной ЭКГ это слишком много!

Шаг 3: режекторный фильтр

Зачем это нужно:

Мы будем использовать режекторный фильтр, чтобы удалить шум 60 Гц, присутствующий во всех источниках питания в Соединенных Штатах.

Как его построить:

Мы установим коэффициент качества Q равным 8, что обеспечит приемлемый результат фильтрации при сохранении значений компонентов в допустимом диапазоне. Мы также устанавливаем емкость конденсатора равной 0,1 мкФ, чтобы вычисления влияли только на резисторы. Рассчитанные и используемые значения резисторов можно увидеть в таблице (на рисунках) или ниже.

• Q = w / B

  установите Q на 8 (или выберите свой, исходя из собственных потребностей)

• ш = 2 * пи * ф

  используйте f = 60 Гц

• C

  установить на 0,1 мкФ (или выбрать собственное значение из доступных конденсаторов)

• R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

  Рассчитайте. Наше значение 1,66 кОм

• R2 = 2 * Q / (ш * C)

  Рассчитайте. Наше значение 424,4 кОм

• R3 = R1 * R2 / (R1 + R2)

  Рассчитайте. Наше значение 1,65 кОм

Как это проверить:

Режекторный фильтр должен пропускать все частоты без изменений, за исключением частот около 60 Гц. Это можно проверить с помощью развертки переменного тока. Хорошим считается фильтр с усилением -20 дБ при 60 Гц. Вы можете смоделировать это в PSpice или CircuitLab, или протестировать физическое устройство, или и то, и другое!

Этот вид режекторного фильтра может создавать хорошую режекторную полосу в моделируемой развертке переменного тока, но физический тест показал, что наши исходные значения генерировали режекторную полосу на более низкой частоте, чем предполагалось. Чтобы исправить это, мы увеличили R2 примерно на 25 кОм.

Изображение осциллографа показывает, что фильтр значительно снижает амплитуду входного сигнала на частоте 60 Гц. На графике показана развертка переменного тока для высококачественного режекторного фильтра.

Шаг 4: фильтр нижних частот

Зачем это нужно:

Последняя ступень устройства - активный фильтр нижних частот. Сигнал ЭКГ состоит из множества различных форм волны, каждая из которых имеет свою частоту. Мы хотим запечатлеть все это без высокочастотного шума. Выбрана стандартная частота среза для мониторов ЭКГ 150 Гц. (Иногда для отслеживания конкретных проблем с сердцем выбираются более высокие пороговые значения, но для нашего проекта мы будем использовать нормальное пороговое значение.)

Если вы хотите сделать более простую схему, вы также можете использовать пассивный фильтр нижних частот. Он не будет включать операционный усилитель и будет состоять только из резистора, соединенного последовательно с конденсатором. Выходное напряжение будет измеряться на конденсаторе.

Как его построить:

Мы спроектируем его как фильтр Баттерворта второго порядка с коэффициентами a и b, равными 1,414214 и 1 соответственно. Установка коэффициента усиления на 1 превращает операционный усилитель в повторитель напряжения. Выбранные уравнения и значения показаны в таблице (на рисунках) и ниже.

• ш = 2 * пи * ф

  установить f = 150 Гц

• C2 = 10 / f

  Рассчитайте. Наше значение 0,067 мкФ

• C1 <= C2 * (a ^ 2) / (4b)

  Рассчитайте. Наше значение 0,033 мкФ

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

  Рассчитайте. Наше значение 18,836 кОм

• R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2)

  Рассчитайте. Наше значение 26,634 кОм

Как это проверить:

Фильтр должен без изменений пропускать частоты ниже порога среза. Это можно проверить с помощью развертки переменного тока. Вы можете смоделировать это в PSpice или CircuitLab, или протестировать физическое устройство, или и то, и другое!

На изображении осциллографа показан отклик фильтра на частотах 100 Гц, 150 Гц и 155 Гц. Наша физическая схема имела отсечку ближе к 155 Гц, что показано отношением -3 дБ.

Шаг 5: фильтр высоких частот

Зачем это нужно:

Фильтр верхних частот используется так, чтобы частоты ниже определенного значения среза не записывались, что позволяет пропускать чистый сигнал. Частота отсечки выбрана равной 0,5 Гц (стандартное значение для мониторов ЭКГ).

Как его построить:

Значения резистора и конденсатора, необходимые для этого, показаны ниже. Фактическое использованное сопротивление составляло 318,2 кОм.

• R = 1 / (2 * пи * f * C)

  • установить f = 0,5 Гц и C = 1 мкФ
  • Рассчитайте R. Наше значение 318,310 кОм.

Как это проверить:

Фильтр должен без изменений пропускать частоты выше границы среза. Это можно проверить с помощью развертки переменного тока. Вы можете смоделировать это в PSpice или CircuitLab, или протестировать физическое устройство, или и то, и другое!

Шаг 6: Настройка LabVIEW

Блок-схема излагает концепцию дизайна части проекта LabVIEW, которая записывает сигнал с высокой частотой дискретизации и отображает частоту сердечных сокращений (BPM) и ЭКГ. Наша схема LabView содержит следующие компоненты: помощник сбора данных, массив индексов, арифметические операторы, обнаружение пиков, числовые индикаторы, график формы сигнала, изменение во времени, идентификатор максимума / минимума и числовые константы. Ассистент сбора данных настроен на непрерывный отбор отсчетов с частотой 1 кГц, при этом количество отсчетов изменяется от 3 000 до 5 000 отсчетов для обнаружения пиков и ясности сигнала.

Наведите указатель мыши на различные компоненты на принципиальной схеме, чтобы узнать, где в LabVIEW их найти!

Шаг 7: Сбор данных

Теперь, когда схема собрана, можно собрать данные, чтобы проверить, работает ли она! Пошлите смоделированную ЭКГ по цепи с частотой 1 Гц. Результатом должен быть чистый сигнал ЭКГ, на котором четко видны комплекс QRS, зубец P и зубец T. Частота сердечных сокращений также должна отображаться на уровне 60 ударов в минуту (уд / мин). Для дальнейшего тестирования схемы и настройки LabVIEW измените частоту на 1,5 Гц и 0,5 Гц. Частота сердечных сокращений должна измениться на 90 и 30 ударов в минуту соответственно.

Для точного отображения более низкой частоты пульса вам может потребоваться настроить параметры сбора данных, чтобы отображалось больше волн на графике. Это можно сделать, увеличив количество образцов.

Если вы решите протестировать устройство на человеке, убедитесь, что источник питания, который вы используете для операционных усилителей, ограничивает ток на уровне 0,015 мА! Существует несколько приемлемых конфигураций отведений, но мы решили разместить положительный электрод на левой лодыжке, отрицательный электрод на правом запястье и заземляющий электрод на правой лодыжке, как показано на прилагаемом рисунке.

Используя некоторые основные принципиальные схемы и наши знания о человеческом сердце, мы показали вам, как создать забавное и полезное устройство. Надеемся, вам понравился наш урок!