Faceți-vă propria electrocardiogramă (ECG): 6 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:46

ÎNȘTIINȚARE:

Acesta nu este un dispozitiv medical. Aceasta este doar în scopuri educaționale, utilizând semnale simulate. Dacă utilizați acest circuit pentru măsurători reale ECG, vă rugăm să vă asigurați că circuitul și conexiunile circuit-instrument utilizează puterea bateriei și alte tehnici adecvate de izolare.

[Imagine preluată de pe

Pasul 1: Cunoaște-ți lucrurile

Electrocardiograma (ECG) este un instrument important utilizat de medici pentru a monitoriza activitatea electrică a inimii. Este util pentru a surprinde totul, de la ritmuri cardiace anormale până la diagnosticarea insuficienței termice. Urmând acest Instructable, veți putea construi un dispozitiv care afișează electrocardiograma unei persoane care utilizează numai abilități de bază pentru breadboarding și echipamente de laborator electronice generale. Odată ce aveți un semnal de ieșire bun, puteți utiliza același semnal pentru a calcula inima, sau o altă valoare interesantă folosind un microcontroler.

-

Dacă nu știți ce este un ECG, este pur și simplu o înregistrare a activității inimii. Datorită naturii electrice a contracțiilor inimii, se poate înregistra schimbarea tensiunii plasând electrozi pe piele și procesând semnalul. Diagrama acestor tensiuni în timp se numește electrocardiogramă (ECG pe scurt). ECG-urile sunt de obicei utilizate pentru a diagnostica diferite forme de insuficiență cardiacă sau pentru a monitoriza pasiv stresul pacientului. Un ECG sănătos are caracteristici specifice care sunt universale între oameni. (Aceasta include o undă P, undă Q, undă R, undă S, undă T și un complex QRS.) Am furnizat o diagramă simplificată a unui ECG cu reacția corespunzătoare a inimii.

-

Rețineți că fiecare eveniment electric care apare în nervii inimii corespunde unui eveniment fizic care apare în consecință în țesutul muscular și, în timp ce o parte a inimii se contractă, celelalte porțiuni sunt relaxante. În acest fel, sincronizarea semnalelor electrice este foarte importantă în inimă, ceea ce face din ECG un instrument foarte puternic în măsurarea sănătății inimii.

-

Cu toate acestea, pentru a înregistra un ECG real, intră în joc multe probleme logistice, cum ar fi dimensiunea semnalului, cantitatea de zgomot provenită din restul corpului și cantitatea de zgomot provenită din mediu. Pentru a compensa acest lucru, proiectăm un circuit care va fi compus din 3 părți: un amplificator diferențial pentru a crește dimensiunea semnalului nostru, un filtru trece jos pentru a elimina zgomotul semnalelor de înaltă frecvență și un filtru cu crestături pentru a elimina zgomotul de 60 Hz care este întotdeauna prezent în clădirile alimentate cu curent alternativ. Vă voi descrie în detaliu urmărirea acestor pași mai jos.

[Imagine preluată de pe

Pasul 2: Strângeți-vă consumabilele

Pentru acest proiect veți avea nevoie de:

- 1 panou mare (având 2 sau mai multe va fi totuși mai frumos)

- 5 op-amplificatoare de uz general

(Am folosit UA741 cu + -15 V, asigurați-vă că cele pe care le alegeți pot rezolva 15 volți, altfel va trebui să reglați valorile componentelor dvs. pasive și va trebui să vă mulțumiți cu o amplificare mai mică)

Rezistoare

o 2x 165 ohm

o 3x 1k ohm

o 2x 15k ohm

o 2x 33k ohm

o 1x 42k ohm

o 2x 60k ohm

Condensatoare

o 2x 22nF

o 2x 1μF

o 1x 2Μf

- O mulțime de fire sau jumper

- O sursă de tensiune continuă capabilă să furnizeze + -15 V

- Un generator de funcții și osciloscop (în principal pentru depanare)

- Cel puțin trei electrozi lipicioși dacă intenționați să înregistrați un ECG real

- Cabluri suficiente pentru a conecta toate aceste prostii

- O înțelegere fermă a circuitelor, amplificatorilor de operare și experiență cu breadboarding-ul.

Dacă tocmai ați primit un panou pentru ziua dvs. de naștere și doriți să încercați să faceți ceva mișto cu el, faceți cel puțin câteva versiuni mai simple înainte de a încerca acest lucru.

-

Pasul 3: Construiți amplificatorul diferențial

Amplificatorul diferențial este ceea ce va amplifica semnalul înregistrat la un nivel utilizabil pentru a fi afișat pe un scop sau pe un ecran. Acest design al circuitului va lua diferența de tensiune de la cei doi electrozi de intrare și îl va amplifica. Acest lucru se face pentru a reduce zgomotul, deoarece zgomotul obișnuit dintre electrozi va fi eliminat. Semnalul ECG va varia în amplitudine în funcție de amplasarea electrozilor de înregistrare și de individ, dar sunt de obicei de câteva milivolți la înregistrarea de la încheieturi. (Deși nu este necesar pentru această configurare, amplitudinea semnalului poate fi mărită prin plasarea electrozilor pe piept, dar compromisul este zgomotul cauzat de mișcarea plămânilor.)

-

Am inclus o schemă de configurare. Circuitul din imagine ar trebui să vă amplifice semnalul de ~ 1000 ori. Este posibil să trebuiască să ajustați acest lucru în funcție de tipul de amplificator operațional pe care ați decis să îl utilizați. O modalitate rapidă de a regla acest lucru este schimbând valoarea R1. Reducând valoarea lui R1 la jumătate, veți dubla câștigul de ieșire și invers.

-

Presupun că majoritatea dintre voi puteți traduce acest circuit pe panou, totuși am inclus o diagramă a configurării panoului de panouri pentru a simplifica procesul și, sperăm, să vă reduceți timpul de depanare. De asemenea, am inclus o imagine a pinout-ului UA741 (sau LM741) pentru confortul dvs. (pentru scopurile dvs. nu veți avea nevoie de pinii 1, 5 sau 8) Pinii V + și V- de pe amplificatorul op vor fi conectați la sursa dvs. +15 V și respectiv -15 V. -15V nu este același lucru cu solul! Puteți ignora condensatorii de pe panoul meu. Sunt condensatori de bypass meniți să elimine zgomotul de curent alternativ, dar retrospectiv nu au meritat efortul.

-

Vă recomandăm să testați fiecare etapă pe măsură ce o finalizați pentru a depana. După cum arată circuitul, puteți conecta una dintre intrări la masă, iar cealaltă la o sursă mică de curent continuu pentru a verifica amplificarea. (asigurați-vă că ați introdus <15 mV, altfel veți satura op-amperii). Dacă trebuie să vă reduceți câștigul pentru testare, nu-l transpirați, orice lucru de peste 500 de ori va fi suficient pentru scopurile noastre. Mai mult, dacă ți-ai construit circuitul pentru a avea un câștig de 1000 și acesta arată doar un câștig de 800, nu este sfârșitul lumii, numărul exact nu este critic.

-

Pasul 4: Construiți filtrul Notch

Acum, că ne putem amplifica semnalul, să analizăm curățarea. Dacă ați conectat electrozi la circuitul nostru chiar acum, ar avea probabil o tonă de zgomot de 60 Hz. Asta pentru că majoritatea clădirilor sunt conectate la curent alternativ de 60 Hz, provocând semnale de zgomot inevitabil mari. Pentru a remedia acest lucru, vom construi un filtru de 60 Hz. Un filtru cu crestături este conceput pentru a atenua frecvențe foarte specifice și a lăsa alte frecvențe neatinse; perfect pentru a scăpa de zgomotul de 60 Hz.

-

Ca și înainte, am inclus o imagine a schemei circuitului, configurarea plăcii de calcul și propriul meu circuit. Ca o notă, deși filtrul de crestături este o etapă relativ ușor de construit, mi-a luat cel mai mult timp să mă apuc de lucru. Intrarea mea a fost atenuată bine, dar la 63 Hz în loc de 60 Hz, ceea ce nu o va reduce. Dacă întâmpinați aceeași problemă, vă recomand să modificați valoarea R14. (Creșterea rezistenței R14 vă va reduce frecvența de atenuare și invers). Dacă aveți o cutie cu rezistență variabilă, utilizați-o pentru a înlocui R14, apoi jucați cu valori de rezistență pentru a afla exact ce funcționează cel mai bine, deoarece va fi sensibilă la schimbările din ordinul ohmului unic. Am ajuns cu un R14 de 175 ohmi, dar în teorie funcționează cel mai bine pentru a se potrivi cu R12.

-

Din nou, puteți testa această etapă utilizând un generator de funcții pentru a introduce o undă sinusoidală de 60 Hz și pentru a înregistra ieșirea pe un osciloscop. Ieșirea dvs. ar trebui să fie de aproximativ -20 dB sau 10% din amplitudinea intrării. După cum am spus mai înainte, puteți verifica frecvențele din apropiere pentru optimizare.

-

Pasul 5: Construiți filtrul low-pass

După cum s-a menționat mai înainte, un alt factor important este reducerea zgomotului din corpul tău și orice altceva care zboară în camera în care te afli. Un filtru low-pass este bun la acest lucru, deoarece, în ceea ce privește semnalele, bătăile inimii tale sunt destul de lente. Scopul nostru cu filtrul trece-jos este de a elimina toate semnalele care conțin frecvențe mai mari decât ECG-ul dvs. Pentru a face acest lucru, trebuie să desemnăm o „frecvență de tăiere”. În cazul nostru, vrem să eliminăm tot ceea ce depășește această frecvență și tot ceea ce vrem să păstrăm sub această frecvență. În timp ce bătăile inimii apar de ordinul 1 până la 3 Hz, formele de undă individuale care alcătuiesc ECG-ul nostru sunt alcătuite din frecvențe mult mai mari decât aceasta; aproape 1 până la 50 Hz. Din acest motiv, am ales o frecvență de întrerupere de 80 Hz. Este suficient de mare pentru a păstra toate componentele utile în semnal, dar totuși elimină zgomotul de la radioul HAM pe care îl aveți în camera alăturată.

-

Nu am niciun sfat înțelept cu privire la filtrul low-pass, este foarte simplu în comparație cu celelalte etape. În mod similar cu amplificatorul, nu vă faceți griji cu privire la obținerea unei limite precise la 80 Hz; acest lucru nu este crucial și nu se va întâmpla în mod realist. Cu toate acestea, ar trebui să verificați ieșirea acestuia utilizând un generator de funcții. De regulă, o undă sinusoidală ar trebui să treacă prin filtru neatinsă la 10 Hz și ar trebui tăiată la jumătate cu 130 Hz.

-

Pasul 6: Cuplați-l

Dacă ați făcut este până aici, felicitări! Aveți toate componentele unui ECG. Tot ce trebuie să faceți este să le conectați împreună, să plesniți electrozii și să conectați ieșirea la osciloscop pentru a vă vedea ECG-ul!

-

În cazul în care nu sunteți sigur cum să puneți electrozii, vă recomand să vă lipiți electrozii de intrare pe încheieturi (câte unul pe fiecare încheietură) și să conectați un electrod de masă la picior (imaginea vă poate ajuta.) Ca memento, fiecare electrod de intrare ar trebui faceți o intrare pozitivă pe amplificatorii op din amplificator. (Este legat la masă doar în schema circuitului în scopuri de simulare)

-

Odată conectat, conectați ieșirea filtrului trece-jos la un osciloscop și fii mândru de tine! Fă-i pe toți copiii tăi să poarte electrozi și să le privească bătăile inimii. Heck, determină-i pe vecinii tăi să încerce. Dacă vă simțiți mai motivați, conectați ieșirea la un microcontroler pentru a calcula ritmul cardiac de la singur. (Probabil că doriți să reduceți amplificarea înainte de a face acest lucru, este posibil să prăjiți placa pe care o utilizați). Indiferent, felicitări pentru construcție și bucurie!

[Imagine preluată de pe