الکتروکاردیوگرام (ECG) مدار: 7 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:57

توجه: این دستگاه پزشکی نیست. این فقط برای اهداف آموزشی با استفاده از سیگنال های شبیه سازی شده است. اگر از این مدار برای اندازه گیری ECG واقعی استفاده می کنید ، لطفاً اطمینان حاصل کنید که مدار و اتصالات مدار به ابزار از تکنیک های جداسازی مناسب استفاده می کنند.

ما دو دانشجوی مهندسی زیست پزشکی هستیم و پس از گذراندن اولین کلاس مدارات خود ، بسیار هیجان زده شدیم و تصمیم گرفتیم از اصول اولیه ای که یاد گرفته ایم برای انجام یک کار مفید استفاده کنیم: نمایش نوار قلب و خواندن ضربان قلب. این پیچیده ترین مدار ما خواهد بود!

برخی از سابقه در مورد نوار قلب:

بسیاری از وسایل الکتریکی برای اندازه گیری و ثبت فعالیت های بیولوژیکی در بدن انسان استفاده می شود. یکی از این دستگاهها الکتروکاردیوگرام است که سیگنالهای الکتریکی تولید شده توسط قلب را اندازه گیری می کند. این سیگنالها اطلاعات عینی در مورد ساختار و عملکرد قلب ارائه می دهند. نوار قلب برای اولین بار در سال 1887 ساخته شد و راهی جدید برای تشخیص عوارض قلبی به پزشکان داد. نوار قلب می تواند ریتم قلب ، ضربان قلب ، حملات قلبی ، خون ناکافی و اکسیژن رسانی به قلب و ناهنجاری های ساختاری را تشخیص دهد. با استفاده از طراحی مدار ساده ، می توان نوار قلب را تهیه کرد که می تواند همه این موارد را تحت نظر داشته باشد.

مرحله 1: مواد

ساخت مدار

مواد اولیه مورد نیاز برای ساخت مدار در تصاویر نشان داده شده است. آنها عبارتند از:

• تخته نان

• تقویت کننده های عملیاتی

  • تمام آمپرهای مورد استفاده در این مدار LM741 هستند.
  • برای اطلاعات بیشتر ، به برگه داده مراجعه کنید:
• مقاومت ها
• خازن ها
• سیم ها

• الکترودهای چسبناک

  این موارد تنها در صورتی مورد نیاز است که تصمیم بگیرید مدار را روی یک شخص واقعی امتحان کنید

نرم افزار مورد استفاده شامل:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab یا PSpice برای شبیه سازی برای بررسی مقادیر

• برتری داشتن

  این مورد در مواردی که شما نیاز به تغییر ویژگی های مدار خود دارید بسیار توصیه می شود. همچنین ممکن است لازم باشد با اعداد بازی کنید تا مقادیر مقاومت و خازن را که به آسانی در دسترس هستند پیدا کنید. محاسبات کاغذ و قلم برای این مورد دلسرد شده است! ما محاسبه های صفحه گسترده خود را برای ارائه ایده پیوست کرده ایم

آزمایش مدار

همچنین به تجهیزات الکترونیکی بزرگتری نیاز خواهید داشت:

• منبع تغذیه نامتناوب
• برد DAQ برای اتصال مدار به LabVIEW
• ژنراتور عملکرد برای آزمایش مدار
• اسیلوسکوپ برای آزمایش مدار

مرحله 2: تقویت کننده ابزار دقیق

چرا به آن نیاز داریم:

ما یک تقویت کننده ابزار دقیق برای تقویت دامنه کوچک اندازه گیری شده از بدن می سازیم. استفاده از دو تقویت کننده در مرحله اول به ما امکان می دهد نویز ایجاد شده توسط بدن (که در هر دو الکترود یکسان خواهد بود) را حذف کنیم. ما از دو مرحله تقریباً یکسان استفاده می کنیم - این امر در صورت اتصال سیستم به شخص با جلوگیری از وقوع همه سود در یک مکان ، از کاربر محافظت می کند. از آنجا که دامنه طبیعی سیگنال ECG بین 0.1 تا 5 میلی ولت است ، ما می خواهیم افزایش تقویت کننده ابزار دقیقاً 100 باشد. تحمل قابل قبول بر افزایش 10 است.

نحوه ساخت آن:

با استفاده از این مشخصات و معادلات موجود در جدول (تصاویر پیوست) ، مقادیر مقاومت ما R1 = 1.8 کیلو اهم ، R2 = 8.2 کیلو اهم ، R3 = 1.5 کیلو اهم ، و R4 = 15 کیلو اهم است. K1 سود مرحله اول (OA1 و OA2) و K2 سود مرحله دوم (OA3) است. خازن های بای پس خازنی برابر در منابع تغذیه تقویت کننده های عملیاتی برای حذف نویز استفاده می شود.

نحوه آزمایش آن:

هر سیگنالی که وارد تقویت کننده ابزار می شود باید 100 تقویت شود. با استفاده از dB = 20log (Vout/Vin) این بدان معناست که نسبت 40 دسی بل است. می توانید این را در PSpice یا CircuitLab شبیه سازی کنید ، یا دستگاه فیزیکی یا هر دو را آزمایش کنید!

تصویر اسیلوسکوپ پیوست 1000 را نشان می دهد. برای نوار قلب واقعی ، این بسیار زیاد است!

مرحله 3: فیلتر ناچ

چرا به آن نیاز داریم:

ما از یک فیلتر ناچ برای حذف نویز 60 هرتز موجود در تمام منابع تغذیه در ایالات متحده استفاده خواهیم کرد.

نحوه ساخت آن:

ما ضریب کیفیت Q را 8 قرار می دهیم که خروجی فیلترینگ قابل قبولی را ارائه می دهد در حالی که مقادیر جزء را در محدوده امکان پذیر نگه می دارد. ما همچنین مقدار خازن را 0.1 μF تنظیم کرده ایم تا محاسبات فقط بر مقاومت ها تأثیر بگذارد. مقادیر مقاومت محاسبه شده و مورد استفاده در جدول (در تصاویر) یا زیر قابل مشاهده است

• Q = w/B

  Q را روی 8 تنظیم کنید (یا بسته به نیاز خود مورد نظر خود را انتخاب کنید)

• w = 2*pi*f

  از f = 60 هرتز استفاده کنید

• ج

  روی 0.1 uF تنظیم کنید (یا مقدار خود را از بین خازن های موجود انتخاب کنید)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  محاسبه. ارزش ما 1.66 اهم است

• R2 = 2*Q/(w*C)

  محاسبه. ارزش ما 424.4 کوه است

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  محاسبه. ارزش ما 1.65 اهم است

نحوه آزمایش آن:

فیلتر ناچ باید همه فرکانس ها را بدون تغییر عبور دهد ، به جز مواردی در حدود 60 هرتز. این را می توان با رفت و برگشت AC بررسی کرد. فیلتر با افزایش -20 دسی بل در 60 هرتز خوب در نظر گرفته می شود. می توانید این را در PSpice یا CircuitLab شبیه سازی کنید ، یا دستگاه فیزیکی یا هر دو را آزمایش کنید!

این نوع فیلتر بریدگی ممکن است در رفت و برگشت AC شبیه سازی شده ، یک بریدگی خوب ایجاد کند ، اما یک آزمایش فیزیکی نشان داد که مقادیر اولیه ما یک فرورفت را با فرکانس پایین تر از حد مورد نظر ایجاد می کند. برای برطرف کردن این مشکل ، ما R2 را حدود 25 اهم افزایش دادیم.

تصویر اسیلوسکوپ نشان می دهد که فیلتر شدت سیگنال ورودی را در 60 هرتز بسیار کاهش می دهد. نمودار یک رفت و برگشت AC را برای فیلتر ناچ با کیفیت بالا نشان می دهد.

مرحله 4: فیلتر کم گذر

چرا به آن نیاز داریم:

آخرین مرحله دستگاه یک فیلتر کم گذر فعال است. سیگنال ECG از شکل های مختلف موج مختلف ساخته شده است که هر کدام فرکانس خاص خود را دارند. ما می خواهیم همه اینها را بدون هیچ نویز با فرکانس بالا ضبط کنیم. فرکانس قطع استاندارد برای مانیتورهای ECG 150 هرتز انتخاب شده است. (گاهی اوقات برش های بیشتری برای نظارت بر مشکلات خاص قلب انتخاب می شود ، اما برای پروژه ما ، از یک قطع معمولی استفاده می کنیم.)

اگر می خواهید یک مدار ساده تر بسازید ، می توانید از یک فیلتر کم گذر منفعل نیز استفاده کنید. این شامل یک آمپر op نمی شود و فقط از یک مقاومت سری با خازن تشکیل شده است. ولتاژ خروجی در خازن اندازه گیری می شود.

نحوه ساخت آن:

ما آن را به عنوان فیلتر باترورث درجه دوم طراحی می کنیم که دارای ضرایب a و b به ترتیب برابر با 1.414214 و 1 است. تنظیم سود بر روی 1 ، تقویت کننده عملیاتی را به دنبال کننده ولتاژ تبدیل می کند. معادلات و مقادیر انتخاب شده در جدول (در تصاویر) و زیر نشان داده شده است.

• w = 2*pi*f

  تنظیم f = 150 هرتز

• C2 = 10/f

  محاسبه. مقدار ما 0.067 uF است

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  محاسبه. مقدار ما 0.033 uF است

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

  محاسبه. ارزش ما 18.836 کوه است

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  محاسبه. ارزش ما 26.634 کوه است

نحوه آزمایش آن:

فیلتر باید فرکانس های زیر قطع را بدون تغییر عبور دهد. این را می توان با استفاده از رفت و برگشت AC آزمایش کرد. می توانید این را در PSpice یا CircuitLab شبیه سازی کنید ، یا دستگاه فیزیکی یا هر دو را آزمایش کنید!

تصویر اسیلوسکوپ پاسخ فیلتر را در 100 هرتز ، 150 هرتز و 155 هرتز نشان می دهد. قطع فیزیکی مدار ما نزدیک به 155 هرتز بود که با نسبت -3 دسی بل نشان داده شد.

مرحله 5: فیلتر High-Pass

چرا به آن نیاز داریم:

از فیلتر گذر بالا استفاده می شود تا فرکانس های زیر مقدار قطع مشخصی ثبت نشوند و اجازه عبور سیگنال تمیز را بدهد. فرکانس قطع 0.5 z هرتز (مقدار استاندارد برای مانیتورهای ECG) انتخاب شده است.

نحوه ساخت آن:

مقادیر مقاومت و خازن مورد نیاز برای دستیابی به این هدف در زیر نشان داده شده است. مقاومت واقعی ما 318.2 كmم بود.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • تنظیم f = 0.5 هرتز و C = 1 uF
  • R. محاسبه کنید ارزش ما 318.310 kohm است

نحوه آزمایش آن:

فیلتر باید فرکانس های بالای برش را بدون تغییر عبور دهد. این را می توان با استفاده از رفت و برگشت AC آزمایش کرد. می توانید این را در PSpice یا CircuitLab شبیه سازی کنید ، یا دستگاه فیزیکی یا هر دو را آزمایش کنید!

مرحله 6: راه اندازی LabVIEW

فلوچارت مفهوم طراحی بخش LabVIEW پروژه را بیان می کند که سیگنال را با نرخ نمونه برداری بالا ثبت می کند و ضربان قلب (BPM) و ECG را نمایش می دهد. مدار LabView ما شامل اجزای زیر است: دستیار DAQ ، آرایه شاخص ، عملگرهای حسابی ، تشخیص اوج ، شاخص های عددی ، نمودار شکل موج ، تغییر زمان ، شناسه حداکثر/دقیقه و ثابت های عددی. دستیار DAQ قرار است نمونه هایی پیوسته با سرعت 1 کیلوهرتز بگیرد و تعداد نمونه ها بین 3،000 تا 5،000 نمونه برای تشخیص اوج و وضوح سیگنال تغییر کرده است.

ماوس را روی اجزای مختلف در نمودار مدار بکشید تا در LabVIEW آنها را پیدا کنید تا آنها را پیدا کنید!

مرحله 7: جمع آوری داده ها

اکنون که مدار مونتاژ شده است ، می توان داده ها را جمع آوری کرد تا ببینیم آیا کار می کند یا خیر! یک ECG شبیه سازی شده را از طریق مدار با فرکانس 1 هرتز ارسال کنید. نتیجه باید یک سیگنال ECG تمیز باشد که در آن پیچیدگی QRS ، موج P و موج T به وضوح دیده شود. ضربان قلب همچنین باید 60 ضربه در دقیقه (ضربان در دقیقه) را نشان دهد. برای آزمایش بیشتر مدار و تنظیمات LabVIEW ، فرکانس را به 1.5 هرتز و 0.5 هرتز تغییر دهید. ضربان قلب باید به ترتیب 90 و 30 ضربه در دقیقه تغییر کند.

برای اینکه ضربان قلب کندتر به طور دقیق نمایش داده شود ، ممکن است لازم باشد تنظیمات DAQ را برای نمایش امواج بیشتر در هر نمودار تنظیم کنید. این کار را می توان با افزایش تعداد نمونه ها انجام داد.

اگر می خواهید دستگاه را روی انسان آزمایش کنید ، مطمئن شوید منبع تغذیه ای که برای آمپر تقویت می کنید جریان را در 0.015 میلی آمپر محدود می کند! چندین پیکربندی سرب قابل قبول وجود دارد ، اما ما الکترود مثبت را روی مچ پای چپ ، الکترود منفی را روی مچ دست راست و الکترود زمین را روی مچ پای راست قرار دادیم ، همانطور که در تصویر پیوست مشاهده می شود.

ما با استفاده از برخی مفاهیم اولیه مدار و دانش خود از قلب انسان به شما نشان دادیم که چگونه یک دستگاه سرگرم کننده و مفید ایجاد کنید. امیدواریم از آموزش ما لذت برده باشید!