Qarku i Elektrokardiogramës (EKG): 7 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:27

Shënim: Kjo nuk është një pajisje mjekësore. Kjo është për qëllime edukative vetëm duke përdorur sinjale të simuluara. Nëse përdorni këtë qark për matjet e vërteta të EKG-së, ju lutemi sigurohuni që qarku dhe lidhjet qark-instrument të përdorin teknikat e duhura të izolimit.

Ne jemi dy studentë në Inxhinieri Biomjekësore dhe pasi morëm klasën e parë të qarqeve, ne ishim mjaft të ngazëllyer dhe vendosëm të përdorim bazat që mësuam për të bërë diçka të dobishme: të shfaqim një EKG dhe të lexojmë rrahjet e zemrës. Ky do të ishte qarku më kompleks që kemi ndërtuar ende!

Disa prejardhje në një EKG:

Shumë pajisje elektrike përdoren për të matur dhe regjistruar aktivitetin biologjik në trupin e njeriut. Një pajisje e tillë është elektrokardiogrami, i cili mat sinjalet elektrike të prodhuara nga zemra. Këto sinjale japin informacion objektiv në lidhje me strukturën dhe funksionin e zemrës. EKG u krijua për herë të parë në 1887 dhe u dha mjekëve një mënyrë të re për të diagnostikuar komplikimet e zemrës. EKG -të mund të zbulojnë ritmin e zemrës, rrahjet e zemrës, sulmet në zemër, furnizimin e pamjaftueshëm të gjakut dhe oksigjenit në zemër dhe anomalitë strukturore. Duke përdorur modelin e thjeshtë të qarkut, mund të bëhet një EKG që mund të monitorojë të gjitha këto gjëra.

Hapi 1: Materialet

Ndërtimi i qarkut

Materialet themelore të nevojshme për ndërtimin e qarkut tregohen në fotografi. Ato përfshijnë:

• Breadboard

• Përforcuesit operacionalë

  • Të gjithë amperët e përdorur në këtë qark janë LM741.
  • Për më shumë informacion, shihni fletën e të dhënave:
• Rezistencat
• Kondensatorët
• Telat

• Elektroda ngjitëse

  Këto janë të nevojshme vetëm nëse vendosni të provoni qarkun te një person i vërtetë

Softueri i përdorur përfshin:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab ose PSpice për simulimet për të kontrolluar vlerat

• Excel

  Kjo rekomandohet shumë në rast se keni nevojë të ndryshoni ndonjë karakteristikë të qarkut tuaj. Ju gjithashtu mund të keni nevojë të luani me numrat derisa të gjeni vlerat e rezistencës dhe kondensatorit që janë në dispozicion. Llogaritjet e stilolapsit dhe letrës nuk u dekurajuan për këtë! Ne kemi bashkangjitur llogaritjet tona të spreadsheet -it për të dhënë një ide

Testimi i qarkut

Ju gjithashtu do të keni nevojë për disa pajisje elektronike më të mëdha:

• Furnizimi me energji elektrike DC
• Bordi DAQ për të ndërlidhur qarkun në LabVIEW
• Gjeneratori i funksionit për të testuar qarkun
• Osciloskopi për të testuar qarkun

Hapi 2: Përforcuesi i instrumenteve

Pse na duhet:

Ne do të ndërtojmë një përforcues instrumentesh në mënyrë që të amplifikojmë amplituda të vogël të matur nga trupi. Përdorimi i dy amplifikatorëve në fazën tonë të parë do të na lejojë të anulojmë zhurmën e krijuar nga trupi (i cili do të jetë i njëjtë në të dy elektrodat). Ne do të përdorim dy faza me përfitim të barabartë - kjo mbron përdoruesin nëse sistemi është i lidhur me një person duke parandaluar që të gjitha përfitimet të ndodhin në një vend. Meqenëse amplituda normale e një sinjali EKG është midis 0.1 dhe 5 mV, ne duam që fitimi i amplifikatorit të instrumenteve të jetë rreth 100. Një tolerancë e pranueshme mbi fitimin është 10%.

Si ta ndërtoni:

Duke përdorur këto specifikime dhe ekuacionet e paraqitura në tabelë (fotografitë e bashkangjitura), ne gjetëm se vlerat tona të rezistencës janë R1 = 1.8 kiloOhms, R2 = 8.2 kiloOhms, R3 = 1.5 kiloOhms, dhe R4 = 15 kiloOhms. K1 është fitimi i fazës së parë (OA1 dhe OA2), dhe K2 është fitimi i fazës së dytë (OA3). Kondensatorët e barabartë të kapacitetit të barabartë përdoren në furnizimin me energji të amplifikatorëve operacionalë për të hequr zhurmën.

Si ta provoni:

Çdo sinjal që futet në përforcuesin e instrumenteve duhet të amplifikohet me 100. Duke përdorur dB = 20log (Vout/Vin) kjo do të thotë një raport prej 40 dB. Ju mund ta simuloni këtë në PSpice ose CircuitLab, ose të testoni pajisjen fizike, ose të dyja!

Imazhi i oshiloskopit i bashkangjitur tregon një fitim prej 1000. Për një EKG të vërtetë, kjo është shumë e lartë!

Hapi 3: Filtri i nivelit

Pse na duhet:

Ne do të përdorim një filtër të nivelit për të hequr zhurmën 60 Hz të pranishme në të gjitha furnizimet me energji në Shtetet e Bashkuara.

Si ta ndërtoni:

Ne do të vendosim faktorin e cilësisë Q të jetë 8, i cili do të sigurojë një dalje filtrimi të pranueshme duke mbajtur vlerat e komponentëve në një gamë të realizueshme. Ne gjithashtu vendosëm vlerën e kondensatorit të jetë 0.1 μF në mënyrë që llogaritjet të ndikojnë vetëm në rezistorët. Vlerat e rezistencës të llogaritura dhe të përdorura mund të shihen në tabelë (në fotografi) ose më poshtë

• Q = w/B

  vendosni Q në 8 (ose zgjidhni tuajin bazuar në nevojat tuaja)

• w = 2*pi*f

  përdorni f = 60 Hz

• C

  vendosur në 0.1 uF (ose zgjidhni vlerën tuaj nga kondensatorët në dispozicion)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Llogarit. Vlera jonë është 1.66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Llogarit. Vlera jonë është 424.4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Llogarit. Vlera jonë është 1.65 kohm

Si ta provoni:

Filtri i nivelit duhet të kalojë të gjitha frekuencat e pandryshuara, përveç atyre rreth 60 Hz. Kjo mund të kontrollohet me një spastrim AC. Një filtër me një fitim prej -20 dB në 60 Hz konsiderohet i mirë. Ju mund ta simuloni këtë në PSpice ose CircuitLab, ose të testoni pajisjen fizike, ose të dyja!

Ky lloj filtri i nivelit mund të krijojë një nivel të mirë në spastrimin e simuluar të AC, por një test fizik tregoi se vlerat tona origjinale gjeneruan një nivel në një frekuencë më të ulët se sa ishte menduar. Për ta rregulluar këtë, ne u përplasëm me R2 me rreth 25 kohm.

Imazhi i oshiloskopit tregon se filtri zvogëlon shumë madhësinë e sinjalit hyrës në 60 Hz. Grafiku tregon një spastrim AC për një filtër të cilësisë së lartë.

Hapi 4: Filtri me kalim të ulët

Pse na duhet:

Faza e fundit e pajisjes është një filtër aktiv me kalim të ulët. Sinjali i EKG -së përbëhet nga shumë forma të ndryshme valësh, të cilat secila ka frekuencën e vet. Ne duam t'i kapim të gjitha këto, pa ndonjë zhurmë me frekuencë të lartë. Frequencyshtë zgjedhur frekuenca standarde e ndërprerjes për monitorët EKG prej 150 Hz. (Ndërprerjet më të larta ndonjëherë zgjidhen për të monitoruar problemet specifike të zemrës, por për projektin tonë, ne do të përdorim një ndërprerje normale.)

Nëse dëshironi të bëni një qark më të thjeshtë, mund të përdorni gjithashtu një filtër pasiv të kalimit të ulët. Kjo nuk do të përfshijë një op op, dhe do të përbëhet nga vetëm një rezistencë në seri me një kondensator. Tensioni i daljes do të matet në të gjithë kondensatorin.

Si ta ndërtoni:

Ne do ta dizajnojmë atë si një filtër Butterworth të rendit të dytë, i cili ka koeficientë a dhe b të barabartë me 1.414214 dhe 1, respektivisht. Vendosja e fitimit në 1 e bën amplifikatorin operacional në një përcjellës të tensionit. Ekuacionet dhe vlerat e zgjedhura tregohen në tabelë (në fotografi) dhe më poshtë.

• w = 2*pi*f

  vendosur f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Llogarit. Vlera jonë është 0.067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Llogarit. Vlera jonë është 0.033 uF

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

  Llogarit. Vlera jonë është 18.836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Llogarit. Vlera jonë është 26.634 kohm

Si ta provoni:

Filtri duhet të kalojë frekuencat poshtë ndërprerjes të pandryshuar. Kjo mund të testohet duke përdorur një spastrim AC. Ju mund ta simuloni këtë në PSpice ose CircuitLab, ose të testoni pajisjen fizike, ose të dyja!

Imazhi i oshiloskopit tregon përgjigjen e filtrit në 100 Hz, 150 Hz dhe 155 Hz. Qarku ynë fizik kishte një ndërprerje më afër 155 Hz, treguar nga raporti -3 dB.

Hapi 5: Filtri me kalim të lartë

Pse na duhet:

Filtri me kalim të lartë përdoret në mënyrë që frekuencat nën një vlerë të caktuar të ndërprerjes të mos regjistrohen, duke lejuar që të kalohet një sinjal i pastër. Frekuenca e ndërprerjes zgjidhet të jetë 0.5 Hz (një vlerë standarde për monitorët EKG).

Si ta ndërtoni:

Vlerat e rezistencës dhe kondensatorit të nevojshme për ta arritur këtë shihen më poshtë. Rezistenca jonë aktuale e përdorur ishte 318.2 kohm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • vendosur f = 0.5 Hz, dhe C = 1 uF
  • Llogarit R. Vlera jonë është 318.310 kohm

Si ta provoni:

Filtri duhet të kalojë frekuencat mbi ndërprerjen të pandryshuara. Kjo mund të testohet duke përdorur një spastrim AC. Ju mund ta simuloni këtë në PSpice ose CircuitLab, ose të testoni pajisjen fizike, ose të dyja!

Hapi 6: Konfigurimi i LabVIEW

Grafiku i rrjedhës paraqet konceptin e projektimit të pjesës LabVIEW të projektit i cili regjistron sinjalin me një shkallë të lartë të marrjes së mostrave dhe shfaq rrahjet e zemrës (BPM) dhe EKG. Qarku ynë LabView përmban komponentët e mëposhtëm: asistenti DAQ, vargu i indeksit, operatorët aritmetikë, zbulimi i pikut, treguesit numerikë, grafiku i formës së valës, ndryshimi në kohë, identifikuesi maksimal/min dhe konstantet e numrave. Asistenti DAQ është vendosur të marrë mostra të vazhdueshme me një shpejtësi prej 1 kHz, me numrin e mostrave të ndryshuar midis 3, 000 dhe 5, 000 mostra për qëllime të zbulimit të pikut dhe qartësisë së sinjalit.

Mouse mbi komponentët e ndryshëm në diagramin e qarkut për të lexuar ku në LabVIEW t'i gjeni!

Hapi 7: Mbledhja e të dhënave

Tani që qarku është mbledhur, të dhënat mund të mblidhen për të parë nëse funksionon! Dërgoni një EKG të simuluar përmes qarkut në 1 Hz. Rezultati duhet të jetë një sinjal i pastër EKG ku kompleksi QRS, vala P dhe vala T mund të shihen qartë. Ritmi i zemrës gjithashtu duhet të shfaqë 60 rrahje në minutë (rpm). Për të testuar më tej qarkun dhe konfigurimin e LabVIEW, ndryshoni frekuencën në 1.5 Hz dhe 0.5 Hz. Shkalla e zemrës duhet të ndryshojë në përkatësisht 90 rrahje në minutë dhe 30 rrahje në minutë.

Që rrahjet e ngadalta të zemrës të shfaqen me saktësi, mund t'ju duhet të rregulloni cilësimet e DAQ për të treguar më shumë valë për grafik. Kjo mund të bëhet duke rritur numrin e mostrave.

Nëse zgjidhni të testoni pajisjen te njeriu, sigurohuni që furnizimi me energji që po përdorni për amperët e operimit e kufizon rrymën në 0.015 mA! Ekzistojnë disa konfigurime të pranueshme të plumbit, por ne zgjodhëm të vendosim elektrodën pozitive në kyçin e këmbës së majtë, elektrodën negative në kyçin e djathtë dhe elektrodën e tokëzimit në kyçin e këmbës së djathtë siç shihet në foton e bashkangjitur.

Duke përdorur disa koncepte bazë të qarkut dhe njohuritë tona për zemrën njerëzore ne ju kemi treguar se si të krijoni një pajisje argëtuese dhe të dobishme. Shpresojmë që të keni shijuar mësimin tonë!