Elektrokardiyogram (EKG) Devresi: 7 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:21

Not: Bu tıbbi bir cihaz değildir. Bu, yalnızca simüle edilmiş sinyallerin kullanıldığı eğitim amaçlıdır. Bu devreyi gerçek EKG ölçümleri için kullanıyorsanız, lütfen devrenin ve devre-enstrüman bağlantılarının uygun izolasyon tekniklerini kullandığından emin olun.

Biyomedikal Mühendisliğinde iki öğrenciyiz ve ilk devre dersimizi aldıktan sonra oldukça heyecanlandık ve öğrendiğimiz temel bilgileri faydalı bir şey yapmak için kullanmaya karar verdik: EKG göster ve kalp atış hızını oku. Bu, şimdiye kadar inşa ettiğimiz en karmaşık devre olurdu!

Bir EKG ile ilgili bazı bilgiler:

İnsan vücudundaki biyolojik aktiviteyi ölçmek ve kaydetmek için birçok elektrikli cihaz kullanılmaktadır. Böyle bir cihaz, kalbin ürettiği elektrik sinyallerini ölçen elektrokardiyogramdır. Bu sinyaller kalbin yapısı ve işlevi hakkında objektif bilgiler verir. EKG ilk olarak 1887'de geliştirildi ve doktorlara kalp komplikasyonlarını teşhis etmek için yeni bir yol verdi. EKG'ler kalp ritmini, kalp atış hızını, kalp krizlerini, kalbe yetersiz kan ve oksijen beslemesini ve yapısal anormallikleri tespit edebilir. Basit devre tasarımı kullanılarak, tüm bunları izleyebilen bir EKG yapılabilir.

Adım 1: Malzemeler

Devreyi kurmak

Devreyi kurmak için gerekli olan temel malzemeler resimlerde gösterilmiştir. İçerirler:

• ekmek tahtası

• işlemsel yükselteçler

  • Bu devrede kullanılan tüm op amperler LM741'dir.
  • Daha fazla bilgi için veri sayfasına bakın:
• dirençler
• kapasitörler
• teller

• Yapışkan elektrotlar

  Bunlar yalnızca devreyi gerçek bir kişi üzerinde denemeye karar verirseniz gereklidir

Kullanılan yazılım şunları içerir:

• Laboratuvar Görünümü 2016
• Değerleri kontrol etmek için simülasyonlar için CircuitLab veya PSpice

• Excel

  Devrenizin herhangi bir özelliğini değiştirmeniz gerektiğinde bu şiddetle tavsiye edilir. Ayrıca, hazır olan direnç ve kapasitör değerlerini bulana kadar sayılarla oynamanız gerekebilir. Kalem-kağıt hesaplamaları bunun için önerilmez! Bir fikir vermesi için elektronik tablo hesaplamalarımızı ekledik

Devrenin test edilmesi

Ayrıca daha büyük elektronik ekipmanlara da ihtiyacınız olacak:

• DC güç kaynağı
• Devreyi LabVIEW ile arayüzlemek için DAQ kartı
• Devreyi test etmek için fonksiyon üreteci
• Devreyi test etmek için osiloskop

Adım 2: Enstrümantasyon Amplifikatörü

Neden buna ihtiyacımız var:

Vücuttan ölçülen küçük genliği yükseltmek için bir enstrümantasyon amplifikatörü oluşturacağız. İlk aşamamızda iki amplifikatör kullanmak, vücudun yarattığı gürültüyü (her iki elektrotta da aynı olacak) iptal etmemizi sağlayacaktır. Yaklaşık eşit kazancın iki aşamasını kullanacağız - bu, sistem bir kişiye bağlıysa, tüm kazancın tek bir yerde olmasını engelleyerek kullanıcıyı korur. Bir EKG sinyalinin normal genliği 0,1 ile 5 mV arasında olduğundan, enstrümantasyon amplifikatörünün kazancının yaklaşık 100 olmasını istiyoruz. Kazançta kabul edilebilir bir tolerans %10'dur.

Nasıl inşa edilir:

Bu özellikleri ve tabloda görülen denklemleri kullanarak (ekli resimler), direnç değerlerimizin R1= 1.8 kiloOhm, R2=8.2 kiloOhm, R3 = 1.5 kiloOhm ve R4 = 15 kiloOhm olduğunu bulduk. K1, birinci aşamanın (OA1 ve OA2) kazancıdır ve K2, ikinci aşamanın (OA3) kazancıdır. Gürültüyü gidermek için işlemsel yükselteçlerin güç kaynaklarında eşit kapasitans baypas kapasitörleri kullanılır.

Nasıl test edilir:

Enstrümantasyon amplifikatörüne beslenen herhangi bir sinyal 100 ile yükseltilmelidir. dB=20log(Vout/Vin) kullanıldığında bu, 40 dB'lik bir oran anlamına gelir. Bunu PSpice veya CircuitLab'de simüle edebilir veya fiziksel cihazı test edebilir veya her ikisini birden yapabilirsiniz!

Ekli osiloskop görüntüsü 1000'lik bir kazanç gösteriyor. Gerçek bir EKG için bu çok yüksek!

Adım 3: Çentik Filtresi

Neden buna ihtiyacımız var:

Amerika Birleşik Devletleri'ndeki tüm güç kaynaklarında bulunan 60 Hz gürültüyü gidermek için bir çentik filtresi kullanacağız.

Nasıl inşa edilir:

Bileşen değerlerini uygun bir aralıkta tutarken kabul edilebilir bir filtreleme çıktısı sağlayacak olan kalite faktörü Q'yu 8 olarak ayarlayacağız. Hesaplamaların sadece dirençleri etkilemesi için kapasitör değerini de 0,1 μF olarak ayarladık. Hesaplanan ve kullanılan direnç değerleri tabloda (resimlerde) veya aşağıda görülebilir.

• S = s/B

  Q'yu 8'e ayarlayın (veya kendi ihtiyacınıza göre kendinizinkini seçin)

• w = 2*pi*f

  f = 60 Hz kullanın

• C

  0.1 uF'ye ayarlayın (veya mevcut kapasitörlerden kendi değerinizi seçin)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Hesaplamak. Değerimiz 1.66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Hesaplamak. Değerimiz 424.4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Hesaplamak. Değerimiz 1.65 kohm

Nasıl test edilir:

Çentik filtresi, 60 Hz civarında olanlar hariç tüm frekansları değiştirmeden geçmelidir. Bu, bir AC taraması ile kontrol edilebilir. 60 Hz'de -20 dB kazançlı bir filtre iyi kabul edilir. Bunu PSpice veya CircuitLab'de simüle edebilir veya fiziksel cihazı test edebilir veya her ikisini birden yapabilirsiniz!

Bu tür bir çentik filtresi, simüle edilmiş AC taramasında iyi bir çentik oluşturabilir, ancak fiziksel bir test, orijinal değerlerimizin amaçlanandan daha düşük bir frekansta bir çentik oluşturduğunu gösterdi. Bunu düzeltmek için R2'yi yaklaşık 25 kohm artırdık.

Osiloskop görüntüsü, filtrenin 60 Hz'de giriş sinyali büyüklüğünü büyük ölçüde azalttığını göstermektedir. Grafik, yüksek kaliteli bir çentik filtresi için bir AC taraması göstermektedir.

Adım 4: Alçak Geçiren Filtre

Neden buna ihtiyacımız var:

Cihazın son aşaması aktif bir alçak geçiren filtredir. EKG sinyali, her biri kendi frekansına sahip birçok farklı dalga biçiminden oluşur. Tüm bunları yüksek frekanslı gürültü olmadan yakalamak istiyoruz. 150 Hz'lik EKG monitörleri için standart kesme frekansı seçilir. (Belirli kalp problemlerini izlemek için bazen daha yüksek eşikler seçilir, ancak projemiz için normal bir eşik kullanacağız.)

Daha basit bir devre yapmak isterseniz, pasif bir alçak geçiren filtre de kullanabilirsiniz. Bu bir op amp içermeyecek ve sadece kapasitörlü seri bir dirençten oluşacaktır. Çıkış voltajı kapasitör boyunca ölçülecektir.

Nasıl inşa edilir:

A ve b katsayıları sırasıyla 1.414214 ve 1'e eşit olan İkinci dereceden Butterworth filtresi olarak tasarlayacağız. Kazancı 1'e ayarlamak işlemsel yükselticiyi bir voltaj takipçisi yapar. Seçilen denklemler ve değerler tabloda (resimlerde) ve aşağıda gösterilmiştir.

• w=2*pi*f

  f = 150 Hz ayarla

• C2 = 10/f

  Hesaplamak. Değerimiz 0.067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Hesaplamak. Değerimiz 0.033 uF

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

  Hesaplamak. Değerimiz 18.836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Hesaplamak. Değerimiz 26.634 kohm

Nasıl test edilir:

Filtre, kesimin altındaki frekansları değişmeden geçmelidir. Bu, bir AC taraması kullanılarak test edilebilir. Bunu PSpice veya CircuitLab'de simüle edebilir veya fiziksel cihazı test edebilir veya her ikisini birden yapabilirsiniz!

Osiloskop görüntüsü, filtrenin 100 Hz, 150 Hz ve 155 Hz'deki tepkisini gösterir. Fiziksel devremiz, -3 dB oranıyla gösterilen 155 Hz'e yakın bir kesime sahipti.

Adım 5: Yüksek Geçiren Filtre

Neden buna ihtiyacımız var:

Yüksek geçiren filtre, belirli bir kesme değerinin altındaki frekansların kaydedilmemesi ve temiz bir sinyalin geçmesine izin verecek şekilde kullanılır. Kesme frekansı 0,5 Hz olarak seçilir (EKG monitörleri için standart bir değer).

Nasıl inşa edilir:

Bunu sağlamak için gereken direnç ve kapasitör değerleri aşağıda görülmektedir. Kullanılan gerçek direncimiz 318.2 kohm'du.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • f = 0,5 Hz ve C = 1 uF olarak ayarlayın
  • R hesaplayın. Değerimiz 318.310 kohm

Nasıl test edilir:

Filtre, kesimin üzerindeki frekansları değişmeden geçmelidir. Bu, bir AC taraması kullanılarak test edilebilir. Bunu PSpice veya CircuitLab'de simüle edebilir veya fiziksel cihazı test edebilir veya her ikisini birden yapabilirsiniz!

Adım 6: LabVIEW Kurulumu

Akış şeması, sinyali yüksek bir örnekleme hızında kaydeden ve kalp atış hızını (BPM) ve EKG'yi görüntüleyen projenin LabVIEW bölümünün tasarım konseptini ortaya koymaktadır. LabView devremiz şu bileşenleri içerir: DAQ asistanı, indeks dizisi, aritmetik operatörler, tepe tespiti, sayısal göstergeler, dalga formu grafiği, zamandaki değişim, maks/min tanımlayıcısı ve sayı sabitleri. DAQ asistanı, tepe tespiti ve sinyal netliği amaçları için örnek sayısı 3.000 ila 5.000 örnek arasında değiştirilerek 1 kHz hızında sürekli örnekler alacak şekilde ayarlanmıştır.

LabVIEW'de onları nerede bulacağınızı okumak için fareyi devre şemasındaki farklı bileşenlerin üzerine getirin!

7. Adım: Veri Toplama

Artık devre monte edildiğine göre, çalışıp çalışmadığını görmek için veriler toplanabilir! Devre üzerinden 1 Hz'de simüle edilmiş bir EKG gönderin. Sonuç, QRS kompleksi, P dalgası ve T dalgasının açıkça görülebildiği temiz bir EKG sinyali olmalıdır. Kalp atış hızı da dakikada 60 vuruş (bpm) göstermelidir. Devreyi ve LabVIEW kurulumunu daha fazla test etmek için frekansı 1,5 Hz ve 0,5 Hz olarak değiştirin. Kalp atış hızı sırasıyla 90 bpm ve 30 bpm olacak şekilde değişmelidir.

Daha yavaş kalp hızlarının doğru bir şekilde görüntülenmesi için DAQ ayarlarını grafik başına daha fazla dalga gösterecek şekilde ayarlamanız gerekebilir. Bu, örnek sayısını artırarak yapılabilir.

Cihazı bir insan üzerinde test etmeyi seçerseniz, op amperler için kullandığınız güç kaynağının akımı 0.015 mA ile sınırladığından emin olun! Kabul edilebilir birkaç lead konfigürasyonu vardır, ancak ekteki resimde görüldüğü gibi pozitif elektrodu sol ayak bileğine, negatif elektrodu sağ el bileğine ve toprak elektrodunu sağ ayak bileğine yerleştirmeyi seçtik.

Bazı temel devre kavramlarını ve insan kalbi hakkındaki bilgimizi kullanarak size eğlenceli ve kullanışlı bir cihazın nasıl oluşturulacağını gösterdik. Umarız öğreticimizden keyif almışsınızdır!