Circuit ng Electrocardiogram (ECG): 7 Mga Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:15

Tandaan: Hindi ito isang aparatong medikal. Ito ay para sa mga layuning pang-edukasyon na gumagamit lamang ng mga simulate signal. Kung ginagamit ang circuit na ito para sa totoong mga sukat ng ECG, mangyaring tiyakin na ang circuit at ang mga koneksyon sa circuit-to-instrument ay gumagamit ng wastong mga diskarte sa paghihiwalay.

Kami ay dalawang mag-aaral sa Biomedical Engineering at pagkatapos na kunin ang aming unang klase sa circuit, lubos kaming nasasabik at nagpasyang gamitin ang mga pangunahing kaalaman na natutunan upang makagawa ng isang bagay na kapaki-pakinabang: magpakita ng isang ECG at basahin ang rate ng puso. Ito ang magiging pinaka-kumplikadong circuit na binuo namin!

Ang ilang mga background sa isang ECG:

Maraming mga kagamitang elektrikal ang ginagamit upang sukatin at maitala ang aktibidad ng biological sa katawan ng tao. Ang isang tulad ng aparato ay ang electrocardiogram, na sumusukat sa mga de-koryenteng signal na ginawa ng puso. Ang mga signal na ito ay nagbibigay ng layunin ng impormasyon tungkol sa istraktura at pagpapaandar ng puso. Ang ECG ay unang binuo noong 1887 at binigyan ang mga manggagamot ng isang bagong paraan upang masuri ang mga komplikasyon sa puso. Maaaring makita ng mga ECG ang ritmo ng puso, rate ng puso, atake sa puso, hindi sapat na suplay ng dugo at oxygen sa puso, at mga abnormalidad sa istruktura. Gamit ang simpleng disenyo ng circuit, maaaring gawin ang isang ECG na maaaring subaybayan ang lahat ng mga bagay na ito.

Hakbang 1: Mga Kagamitan

Pagbuo ng circuit

Ang mga pangunahing materyal na kinakailangan upang maitayo ang circuit ay ipinapakita sa mga larawan. Nagsasama sila:

• Breadboard

• Mga amplifier ng pagpapatakbo

  • Ang lahat ng mga op amp na ginamit sa circuit na ito ay LM741.
  • Para sa karagdagang impormasyon, tingnan ang datasheet:
• Mga lumalaban
• Mga capacitor
• Mga wire

• Mga stick-on electrode

  Kailangan lamang ito kung magpasya kang subukan ang circuit sa isang totoong tao

Kasama sa ginamit na software ang:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab o PSpice para sa mga simulation upang suriin ang mga halaga

• Excel

  Masidhing inirerekomenda ito kung sakaling kailangan mong baguhin ang anumang mga katangian ng iyong circuit. Maaaring kailanganin mo ring maglaro kasama ang mga numero hanggang sa makita mo ang mga halaga ng risistor at kapasitor na madaling magagamit. Hindi pinanghinaan ng loob ang mga kalkulasyon sa panulat at papel para sa isang ito! Ikinabit namin ang aming mga kalkulasyon ng spreadsheet upang magbigay ng isang ideya

Pagsubok sa circuit

Kakailanganin mo rin ang ilang mas malaking elektronikong kagamitan:

• DC power supply
• Ang board ng DAQ upang i-interface ang circuit sa LabVIEW
• Pag-andar ng generator upang subukan ang circuit
• Oscilloscope upang subukan ang circuit

Hakbang 2: Instrumentation Amplifier

Bakit kailangan natin ito:

Bumubuo kami ng isang instrumento amplifier upang mapalakas ang maliit na amplitude na sinusukat mula sa katawan. Ang paggamit ng dalawang amplifier sa aming unang yugto ay magpapahintulot sa amin na kanselahin ang ingay na nilikha ng katawan (na magiging pareho sa parehong mga electrode). Gumagamit kami ng dalawang yugto ng halos pantay na pakinabang - pinoprotektahan nito ang gumagamit kung ang system ay konektado sa isang tao sa pamamagitan ng pagpigil sa lahat ng pakinabang na mangyari sa isang lugar. Dahil ang normal na amplitude ng isang senyas ng ECG ay nasa pagitan ng 0.1 at 5 mV, nais naming ang makakuha ng instrumentation amplifier ay halos 100. Ang isang katanggap-tanggap na pagpapaubaya sa nakuha ay 10%.

Paano ito maitatayo:

Gamit ang mga pagtutukoy na ito at ang mga equation na nakikita sa talahanayan (nakalakip na mga larawan), nakita namin ang aming mga halaga ng resistor na R1 = 1.8 kiloOhms, R2 = 8.2 kiloOhms, R3 = 1.5 kiloOhms, at R4 = 15 kiloOhms. Ang K1 ay ang nakuha ng unang yugto (OA1 at OA2), at ang K2 ay ang nakuha ng ikalawang yugto (OA3). Ang pantay na capacitance bypass capacitors ay ginagamit sa mga power supply ng pagpapatakbo na mga amplifier upang alisin ang ingay.

Paano subukan ito:

Ang anumang senyas na pinakain sa instrumentation amplifier ay dapat na amplified ng 100. Paggamit ng dB = 20log (Vout / Vin) nangangahulugan ito ng isang ratio ng 40 dB. Maaari mo itong gayahin sa PSpice o CircuitLab, o subukan ang pisikal na aparato, o pareho!

Ang naka-attach na imahe ng oscilloscope ay nagpapakita ng pagkakaroon ng 1000. Para sa isang tunay na ECG, masyadong mataas ito!

Hakbang 3: Filter ng Notch

Bakit kailangan natin ito:

Gumagamit kami ng isang filter ng bingaw upang alisin ang ingay na 60 Hz na naroroon sa lahat ng mga power supply sa Estados Unidos.

Paano ito maitatayo:

Itatakda namin ang kalidad na kadahilanan ng Q na maging 8, na magbibigay ng isang katanggap-tanggap na output ng pag-filter habang pinapanatili ang mga halaga ng sangkap sa isang magagawa na saklaw. Itinakda din namin ang halaga ng capacitor na 0.1 μF upang ang mga kalkulasyon ay nakakaapekto lamang sa mga resistor. Ang mga halaga ng risistor na kinakalkula at ginamit ay makikita sa talahanayan (sa mga larawan) o sa ibaba

• Q = w / B

  itakda ang Q sa 8 (o pumili ng iyong sarili batay sa iyong sariling pangangailangan)

• w = 2 * pi * f

  gumamit ng f = 60 Hz

• C

  itakda sa 0.1 uF (o pumili ng iyong sariling halaga mula sa mga magagamit na capacitor)

• R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

  Kalkulahin Ang aming halaga ay 1.66 kohm

• R2 = 2 * Q / (w * C)

  Kalkulahin Ang aming halaga ay 424.4 kohm

• R3 = R1 * R2 / (R1 + R2)

  Kalkulahin Ang aming halaga ay 1.65 kohm

Paano subukan ito:

Ang filter ng bingaw ay dapat pumasa sa lahat ng mga frequency na hindi nababago maliban sa mga nasa paligid ng 60 Hz. Maaari itong suriin sa isang AC sweep. Ang isang filter na may pakinabang na -20 dB sa 60 Hz ay itinuturing na mabuti. Maaari mo itong gayahin sa PSpice o CircuitLab, o subukan ang pisikal na aparato, o pareho!

Ang ganitong uri ng filter ng bingaw ay maaaring makabuo ng isang mahusay na bingaw sa simulate na AC sweep, ngunit ipinakita ng isang pisikal na pagsubok na ang aming orihinal na mga halaga ay nakabuo ng isang bingaw sa isang mas mababang dalas kaysa sa inilaan. Upang ayusin ito, nabunggo namin ang R2 ng halos 25 kohm.

Ang imahe ng oscilloscope ay nagpapakita ng filter na lubos na binabawasan ang lakas ng input signal sa 60 Hz. Ipinapakita ng grap ang isang AC sweep para sa isang mataas na kalidad na filter ng bingaw.

Hakbang 4: Mababang-pass na Filter

Bakit kailangan natin ito:

Ang huling yugto ng aparato ay isang aktibong low-pass filter. Ang senyas ng ECG ay gawa sa maraming iba't ibang mga format ng alon, na ang bawat isa ay may kani-kanilang dalas. Nais naming makuha ang lahat ng ito, nang walang anumang ingay ng mataas na dalas. Napili ang karaniwang dalas ng cutoff para sa mga monitor ng ECG na 150 Hz. (Minsan pinili ang mas mataas na cutoffs upang subaybayan ang mga tukoy na problema sa puso, ngunit para sa aming proyekto, gagamit kami ng isang normal na cutoff.)

Kung nais mong gumawa ng isang mas simpleng circuit, maaari mo ring gamitin ang isang passive low-pass filter. Hindi ito magsasama ng isang op amp, at binubuo lamang ng isang risistor sa serye na may isang kapasitor. Susukat ang boltahe ng output sa buong kapasitor.

Paano ito maitatayo:

Ididisenyo namin ito bilang isang Pangalawang order na filter ng Butterworth, na mayroong mga coefficients a at b na katumbas ng 1.414214 at 1, ayon sa pagkakabanggit. Ang pagtatakda ng nakuha sa 1 ay gumagawa ng pagpapatakbo ng amplifier sa isang tagasunod ng boltahe. Ang mga equation at halagang napili ay ipinapakita sa talahanayan (sa mga larawan) at sa ibaba.

• w = 2 * pi * f

  itakda f = 150 Hz

• C2 = 10 / f

  Kalkulahin Ang aming halaga ay 0.067 uF

• C1 <= C2 * (a ^ 2) / (4b)

  Kalkulahin Ang aming halaga ay 0.033 uF

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

  Kalkulahin Ang aming halaga ay 18.836 kohm

• R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2)

  Kalkulahin Ang aming halaga ay 26.634 kohm

Paano subukan ito:

Dapat ipasa ng filter ang mga frequency sa ibaba ng cutoff na hindi nagbago. Maaari itong masubukan gamit ang isang AC sweep. Maaari mo itong gayahin sa PSpice o CircuitLab, o subukan ang pisikal na aparato, o pareho!

Ipinapakita ng imahe ng oscilloscope ang tugon ng filter sa 100 Hz, 150 Hz, at 155 Hz. Ang aming pisikal na circuit ay may cutoff na malapit sa 155 Hz, ipinakita ng -3 dB ratio.

Hakbang 5: High-pass Filter

Bakit kailangan natin ito:

Ginamit ang high-pass filter upang ang mga frequency sa ibaba ng isang tiyak na halaga ng cut-off ay hindi naitala, na nagpapahintulot sa isang malinis na signal na dumaan. Ang dalas ng cut-off ay pinili upang maging 0.5 Hz (isang karaniwang halaga para sa mga monitor ng ECG).

Paano ito maitatayo:

Ang mga halaga ng risistor at capacitor na kinakailangan upang makamit ito ay makikita sa ibaba. Ang aming aktwal na paglaban na ginamit ay 318.2 kohm.

• R = 1 / (2 * pi * f * C)

  • itakda f = 0.5 Hz, at C = 1 uF
  • Kalkulahin ang R. Ang aming halaga ay 318.310 kohm

Paano subukan ito:

Dapat ipasa ng filter ang mga frequency sa itaas ng cutoff na hindi nagbago. Maaari itong masubukan gamit ang isang AC sweep. Maaari mo itong gayahin sa PSpice o CircuitLab, o subukan ang pisikal na aparato, o pareho!

Hakbang 6: Pagse-set up ng LabVIEW

Inilalagay ng flowchart ang konsepto ng disenyo ng bahagi ng LabVIEW ng proyekto na nagtatala ng signal sa isang mataas na rate ng sampling at ipinapakita ang rate ng puso (BPM) at ECG. Naglalaman ang aming circuit ng LabView ng mga sumusunod na sangkap: katulong ng DAQ, index array, mga operator ng arithmetic, tuktok na pagtuklas, mga tagapagpahiwatig ng bilang, graph ng form ng alon, pagbabago ng oras, pagkilala ng max / min, at mga pare-pareho ng bilang. Ang katulong ng DAQ ay nakatakda na kumuha ng tuloy-tuloy na mga sample sa isang rate ng 1 kHz, na may bilang ng mga sample na binago sa pagitan ng 3, 000 at 5, 000 na mga sample para sa pinakamataas na pagtuklas at mga layunin ng kalinawan ng signal.

I-mouse ang iba't ibang mga bahagi sa circuit diagram upang basahin kung saan sa LabVIEW upang makita ang mga ito!

Hakbang 7: Pagkolekta ng Data

Ngayon na natipon ang circuit, maaaring makolekta ang data upang makita kung gumagana ito! Magpadala ng isang kunwa ECG sa pamamagitan ng circuit sa 1 Hz. Ang resulta ay dapat na isang malinis na signal ng ECG kung saan malinaw na makikita ang QRS complex, P wave, at T wave. Ang rate ng puso ay dapat ding magpakita ng 60 beats bawat minuto (bpm). Upang higit na subukan ang circuit at ang pag-set up ng LabVIEW, baguhin ang dalas sa 1.5 Hz at 0.5 Hz. Ang rate ng puso ay dapat na baguhin na 90 bpm at 30 bpm ayon sa pagkakabanggit.

Para sa mas mabagal na rate ng puso upang tumpak na maipakita maaaring kailanganin mong ayusin ang mga setting ng DAQ upang maipakita ang higit pang mga alon bawat grapiko. Maaari itong gawin sa pamamagitan ng pagtaas ng bilang ng mga sample.

Kung pinili mo upang subukan ang aparato sa isang tao siguraduhin na ang supply ng kuryente na iyong ginagamit para sa mga op amp ay naglilimita sa kasalukuyang sa 0.015 mA! Mayroong maraming mga katanggap-tanggap na mga pagsasaayos ng tingga ngunit pinili naming ilagay ang positibong elektrod sa kaliwang bukung-bukong, ang negatibong elektrod sa kanang pulso, at ang ground electrode sa kanang bukung-bukong tulad ng nakikita sa nakakabit na larawan.

Gamit ang ilang pangunahing konsepto ng circuitry at ang aming kaalaman sa puso ng tao ay ipinakita namin sa iyo kung paano lumikha ng isang masaya at kapaki-pakinabang na aparato. Inaasahan namin na nasiyahan ka sa aming tutorial!