ელექტროკარდიოგრამა (ეკგ) წრე: 7 ნაბიჯი

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:20

შენიშვნა: ეს არ არის სამედიცინო მოწყობილობა. ეს არის საგანმანათლებლო მიზნებისთვის მხოლოდ იმიტირებული სიგნალების გამოყენებით. თუ ამ სქემას იყენებთ ეკგ-ს რეალური გაზომვებისათვის, გთხოვთ დარწმუნდეთ, რომ წრე და ინსტრუმენტთან კავშირი იყენებს იზოლაციის სათანადო ტექნიკას.

ჩვენ ვართ ბიოსამედიცინო ინჟინერიის ორი სტუდენტი და ჩვენი პირველი სქემის კურსის გავლის შემდეგ, ჩვენ ძალიან აღგზნებული ვიყავით და გადავწყვიტეთ გამოგვეყენებინა საფუძვლები, რაც ვისწავლეთ რაიმე სასარგებლო საქმის გაკეთება: ეკგ -ს ჩვენება და გულისცემის კითხვა. ეს იქნება ყველაზე რთული წრე, რომელიც ჩვენ ავაშენეთ!

ეკგ -ს შესახებ რამდენიმე ფონი:

მრავალი ელექტრო მოწყობილობა გამოიყენება ადამიანის ორგანიზმში ბიოლოგიური აქტივობის გასაზომად და ჩასაწერად. ერთ -ერთი ასეთი მოწყობილობაა ელექტროკარდიოგრაფი, რომელიც ზომავს გულის მიერ წარმოქმნილ ელექტრულ სიგნალებს. ეს სიგნალები იძლევა ობიექტურ ინფორმაციას გულის სტრუქტურისა და ფუნქციის შესახებ. ეკგ პირველად შეიქმნა 1887 წელს და ექიმებს მისცა ახალი გზა გულის გართულებების დასადგენად. ეკგ -ს შეუძლია გამოავლინოს გულის რიტმი, გულისცემა, გულის შეტევა, არასაკმარისი სისხლი და ჟანგბადი გულში და სტრუქტურული დარღვევები. მიკროსქემის მარტივი დიზაინის გამოყენებით შესაძლებელია ელექტროკარდიოგრაფიის გაკეთება, რომელსაც შეუძლია ამ ყველაფრის მონიტორინგი.

ნაბიჯი 1: მასალები

წრის აგება

სქემის შესაქმნელად საჭირო ძირითადი მასალები ნაჩვენებია სურათებში. Ისინი შეიცავენ:

• პურის დაფა

• ოპერატიული გამაძლიერებლები

  • ამ წრეში გამოყენებული ყველა op amps არის LM741.
  • დამატებითი ინფორმაციისთვის იხილეთ მონაცემთა ცხრილი:
• რეზისტორები
• კონდენსატორები
• მავთულები

• გამყარებული ელექტროდები

  ეს საჭიროა მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ გადაწყვეტთ სცადოთ რეალურ პირზე

გამოყენებული პროგრამული უზრუნველყოფა მოიცავს:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab ან PSpice სიმულაციებისათვის მნიშვნელობების შესამოწმებლად

• Excel

  ეს რეკომენდირებულია იმ შემთხვევაში, თუ თქვენ დაგჭირდებათ თქვენი წრის რაიმე მახასიათებლის შეცვლა. თქვენ ასევე შეიძლება დაგჭირდეთ რიცხვებთან თამაში მანამ, სანამ არ იპოვით რეზისტორისა და კონდენსატორის ღირებულებებს, რომლებიც ხელმისაწვდომია. კალმისა და ქაღალდის გამოთვლები არ იყო მიზანშეწონილი ამისთვის! ჩვენ დავურთეთ ჩვენი ცხრილების გამოთვლები იდეის მისაცემად

წრის შემოწმება

თქვენ ასევე დაგჭირდებათ რამდენიმე უფრო დიდი ელექტრონული მოწყობილობა:

• DC კვების ბლოკი
• DAQ დაფა ჩართეთ წრე LabVIEW– თან
• ფუნქციის გენერატორი სქემის შესამოწმებლად
• ოსცილოსკოპი სქემის შესამოწმებლად

ნაბიჯი 2: ინსტრუმენტების გამაძლიერებელი

რატომ გვჭირდება ეს:

ჩვენ ავაშენებთ ინსტრუმენტის გამაძლიერებელს, რათა გავაძლიეროთ სხეულიდან გაზომილი მცირე ამპლიტუდა. ჩვენს პირველ ეტაპზე ორი გამაძლიერებლის გამოყენება საშუალებას მოგვცემს გავაუქმოთ სხეულის მიერ შექმნილი ხმაური (რომელიც ერთნაირი იქნება ორივე ელექტროდზე). ჩვენ გამოვიყენებთ დაახლოებით თანაბარი მოგების ორ საფეხურს - ეს იცავს მომხმარებელს, თუ სისტემა დაკავშირებულია ადამიანთან და ხელს უშლის ყველა მოგების ერთ ადგილას განხორციელებას. ვინაიდან ეკგ სიგნალის ნორმალური ამპლიტუდაა 0.1 -დან 5 მვ -მდე, ჩვენ გვინდა, რომ ინსტრუმენტული გამაძლიერებლის მომატება იყოს დაახლოებით 100. მისაღები ტოლერანტობა მოგებაზე არის 10%.

როგორ ავაშენოთ იგი:

ამ სპეციფიკაციებისა და ცხრილში ნაჩვენები განტოლებების გამოყენებით (თანდართული სურათები), ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ ჩვენი რეზისტორის მნიშვნელობები არის R1 = 1.8 კილოოჰამი, R2 = 8.2 კილოოჰამი, R3 = 1.5 კილოოჰამი და R4 = 15 კილოოჰამი. K1 არის პირველი ეტაპის მოგება (OA1 და OA2), ხოლო K2 არის მეორე ეტაპის მოგება (OA3). ხმაურის მოსაშორებლად გამოიყენება საექსპლუატაციო გამაძლიერებლების კვების ბლოკებზე თანაბარი ტევადობის შემოვლითი კონდენსატორები.

როგორ შევამოწმოთ:

ნებისმიერი სიგნალი, რომელიც მიეწოდება ინსტრუმენტთა გამაძლიერებელს, უნდა გაძლიერდეს 100 -ით. DB = 20log (Vout/Vin) გამოყენებით ეს ნიშნავს თანაფარდობას 40 დბ. ამის სიმულაცია შეგიძლიათ PSpice ან CircuitLab– ში, ან გამოსცადოთ ფიზიკური მოწყობილობა, ან ორივე!

თანდართული ოსცილოსკოპის სურათი გვიჩვენებს მოგებას 1000. რეალური ეკგ -სთვის ეს ძალიან მაღალია!

ნაბიჯი 3: მაღალი დონის ფილტრი

რატომ გვჭირდება ეს:

ჩვენ გამოვიყენებთ მაღალი დონის ფილტრს შეერთებული შტატების ყველა კვების ბლოკში არსებული 60 ჰც -ის ხმაურის მოსაშორებლად.

როგორ ავაშენოთ იგი:

ჩვენ ვადგენთ ხარისხის ფაქტორ Q- ს 8 -ს, რაც უზრუნველყოფს მისაღებ გაფილტვრის გამომუშავებას, ხოლო კომპონენტის ღირებულებების განხორციელებას დიაპაზონში. ჩვენ ასევე დავაყენეთ კონდენსატორის მნიშვნელობა 0,1 μF, რომ გათვლები იმოქმედოს მხოლოდ რეზისტორებზე. რეზისტორის ღირებულებები გამოითვლება და გამოიყენება ცხრილში (სურათებში) ან ქვემოთ

• Q = w/B

  დააყენეთ Q 8 (ან აირჩიეთ თქვენი საკუთარი საჭიროებიდან გამომდინარე)

• w = 2*pi*f

  გამოიყენეთ f = 60 Hz

• გ

  დააყენეთ 0.1 uF (ან შეარჩიეთ თქვენი საკუთარი ღირებულება არსებული კონდენსატორებიდან)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  გამოთვალე. ჩვენი ღირებულებაა 1.66 კომი

• R2 = 2*Q/(w*C)

  გამოთვალე. ჩვენი ღირებულებაა 424.4 კომი

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  გამოთვალე. ჩვენი ღირებულებაა 1.65 კომი

როგორ შევამოწმოთ:

მაღალი დონის ფილტრი უნდა გაიაროს ყველა სიხშირე უცვლელად, გარდა 60 ჰც -ისა. ამის შემოწმება შესაძლებელია AC გაწმენდით. ფილტრი, რომლის მომატება -20 დბ 60 ჰც -ით არის კარგი. ამის სიმულაცია შეგიძლიათ PSpice ან CircuitLab– ში, ან გამოსცადოთ ფიზიკური მოწყობილობა, ან ორივე!

ამგვარი დონის ფილტრმა შეიძლება გამოიწვიოს კარგი დონის შექმნა სიმულაციური გაწმენდის დროს, მაგრამ ფიზიკურმა ტესტმა აჩვენა, რომ ჩვენმა თავდაპირველმა ღირებულებებმა წარმოქმნა დონე უფრო დაბალი სიხშირით, ვიდრე ვარაუდობდნენ. ამის გამოსასწორებლად, ჩვენ R2- ს დავუახლოვდით დაახლოებით 25 კომით.

ოსცილოსკოპის სურათი გვიჩვენებს, რომ ფილტრი მნიშვნელოვნად ამცირებს შეყვანის სიგნალის სიდიდეს 60 ჰერცზე. დიაგრამა გვიჩვენებს AC გამწმენდი მაღალი ხარისხის მაღალი დონის ფილტრისთვის.

ნაბიჯი 4: დაბალი გამავლობის ფილტრი

რატომ გვჭირდება ეს:

მოწყობილობის ბოლო ეტაპი არის აქტიური დაბალი გამავლობის ფილტრი. ეკგ სიგნალი შედგება მრავალი განსხვავებული ტალღის ფორმისგან, რომელთაგან თითოეულს აქვს საკუთარი სიხშირე. ჩვენ გვინდა, რომ დავიჭიროთ ეს ყველაფერი, მაღალი სიხშირის ხმაურის გარეშე. შერჩეულია სტანდარტული გათიშვის სიხშირე ეკგ -ს მონიტორებისთვის 150 Hz. (ხანდახან უმაღლესი შეფერხებები ირჩევა გულის კონკრეტული პრობლემების მონიტორინგისთვის, მაგრამ ჩვენი პროექტისთვის ჩვენ გამოვიყენებთ ნორმალურ შეწყვეტას.)

თუ გსურთ უფრო მარტივი სქემის გაკეთება, ასევე შეგიძლიათ გამოიყენოთ პასიური დაბალი გამავლობის ფილტრი. ეს არ მოიცავს op გამაძლიერებელს და შედგება მხოლოდ სერიული რეზისტორისგან კონდენსატორთან ერთად. გამომავალი ძაბვა იზომება კონდენსატორის გასწვრივ.

როგორ ავაშენოთ იგი:

ჩვენ შევქმნით მას, როგორც მეორე რიგის ბუტერვორტის ფილტრს, რომელსაც აქვს კოეფიციენტები a და b უდრის 1.414214 და 1, შესაბამისად. მოგების 1 -ზე დაყენება ხდის ოპერატიულ გამაძლიერებელს ძაბვის მიმდევრად. არჩეული განტოლებები და მნიშვნელობები ნაჩვენებია ცხრილში (სურათებში) და ქვემოთ.

• w = 2*pi*f

  მითითებული f = 150 ჰერცი

• C2 = 10/ვ

  გამოთვალე. ჩვენი ღირებულებაა 0.067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  გამოთვალე. ჩვენი ღირებულებაა 0.033 uF

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

  გამოთვალე. ჩვენი ღირებულებაა 18.836 კომი

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  გამოთვალე. ჩვენი ღირებულებაა 26.634 კომი

როგორ შევამოწმოთ:

ფილტრმა უნდა გაიაროს სიხშირეები წყვეტის ქვემოთ უცვლელი. ეს შეიძლება შემოწმდეს AC გამწმენდის გამოყენებით. ამის სიმულაცია შეგიძლიათ PSpice ან CircuitLab– ში, ან გამოსცადოთ ფიზიკური მოწყობილობა, ან ორივე!

ოსცილოსკოპის სურათი აჩვენებს ფილტრის პასუხს 100 Hz, 150 Hz და 155 Hz. ჩვენს ფიზიკურ წრეს ჰქონდა შეწყვეტა 155 ჰერცამდე, რაც ნაჩვენებია -3 დბ თანაფარდობით.

ნაბიჯი 5: მაღალი გამავლობის ფილტრი

რატომ გვჭირდება ეს:

მაღალი გამავლობის ფილტრი გამოიყენება ისე, რომ სიხშირეები გარკვეული მნიშვნელობის ქვემოთ არ არის ჩაწერილი, რაც იძლევა სუფთა სიგნალის გავლის საშუალებას. გათიშვის სიხშირე არჩეულია 0.5 ჰც (სტანდარტული მნიშვნელობა ეკგ მონიტორებისთვის).

როგორ ავაშენოთ იგი:

ამის მისაღწევად საჭირო რეზისტორისა და კონდენსატორის მნიშვნელობები მოცემულია ქვემოთ. ჩვენი რეალური წინააღმდეგობა იყო 318.2 კომი.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • მითითებული f = 0.5 Hz და C = 1 uF
  • გამოთვალეთ R. ჩვენი მნიშვნელობა არის 318.310 კომი

როგორ შევამოწმოთ:

ფილტრმა უნდა გაიაროს სიხშირეები წყვეტის ზემოთ უცვლელი. ეს შეიძლება შემოწმდეს AC გამწმენდის გამოყენებით. ამის სიმულაცია შეგიძლიათ PSpice ან CircuitLab– ში, ან გამოსცადოთ ფიზიკური მოწყობილობა, ან ორივე!

ნაბიჯი 6: LabVIEW– ის დაყენება

დიაგრამა ასახავს პროექტის LabVIEW ნაწილის დიზაინის კონცეფციას, რომელიც აღწერს სიგნალს შერჩევის მაღალი მაჩვენებლით და აჩვენებს გულისცემას (BPM) და ეკგ. ჩვენი LabView წრე შეიცავს შემდეგ კომპონენტებს: DAQ ასისტენტი, ინდექსის მასივი, არითმეტიკული ოპერატორები, პიკის გამოვლენა, რიცხვითი ინდიკატორები, ტალღების დიაგრამა, დროის ცვლილება, მაქსიმალური/წთ იდენტიფიკატორი და რიცხვითი მუდმივები. DAQ ასისტენტი მიიღებს უწყვეტ სინჯებს 1 კჰც სიხშირით, ნიმუშების რაოდენობა იცვლება 3000 -დან 5000 -მდე ნიმუშს შორის პიკის გამოვლენისა და სიგნალის სიცხადის მიზნით.

თაგუნა ჩართეთ სქემის დიაგრამის სხვადასხვა კომპონენტზე, რომ წაიკითხოთ სად იპოვოთ ისინი LabVIEW– ში!

ნაბიჯი 7: მონაცემთა შეგროვება

ახლა, როდესაც წრე შეიკრიბა, მონაცემების შეგროვება შესაძლებელია თუ არა მუშაობს! გაგზავნეთ იმიტირებული ეკგ წრეში 1 ჰერცზე. შედეგი უნდა იყოს სუფთა ეკგ სიგნალი, სადაც აშკარად ჩანს QRS კომპლექსი, P ტალღა და T ტალღა. გულისცემის მაჩვენებელი ასევე უნდა იყოს 60 დარტყმა წუთში (წთ / წთ). მიკროსქემის და LabVIEW კონფიგურაციის შემდგომი შესამოწმებლად, შეცვალეთ სიხშირე 1.5 Hz და 0.5 Hz. გულისცემა უნდა შეიცვალოს, შესაბამისად, 90 დარტყმა / წუთი და 30 დარტყმა / წთ.

იმისთვის, რომ გულისცემის შენელება ზუსტად იყოს ნაჩვენები, შეიძლება დაგჭირდეთ DAQ პარამეტრების მორგება, რათა გრაფიკზე მეტი ტალღა აჩვენოთ. ეს შეიძლება გაკეთდეს ნიმუშების რაოდენობის გაზრდით.

თუ თქვენ აირჩევთ მოწყობილობის გამოცდას ადამიანზე, დარწმუნდით, რომ კვების ბლოკი, რომელსაც იყენებთ op amps– ისთვის, ზღუდავს დენს 0.015 mA– ზე! არსებობს რამდენიმე მისაღები ტყვიის კონფიგურაცია, მაგრამ ჩვენ შევარჩიეთ პოზიტიური ელექტროდის განთავსება მარცხენა ტერფზე, უარყოფითი ელექტროდი მარჯვენა მაჯაზე და მიწის ელექტროდი მარჯვენა ტერფზე, როგორც ჩანს თანდართულ სურათზე.

მიკროსქემის რამდენიმე ძირითადი კონცეფციისა და ადამიანის გულის ცოდნის გამოყენებით ჩვენ გაჩვენეთ, თუ როგორ უნდა შექმნათ სახალისო და სასარგებლო მოწყობილობა. ვიმედოვნებთ, რომ მოგეწონათ ჩვენი გაკვეთილი!