Erstellen Sie Ihr eigenes Elektrokardiogramm (EKG) - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

NOTIZ:

Dies ist kein Medizinprodukt. Dies dient nur zu Bildungszwecken und verwendet simulierte Signale. Wenn Sie diesen Stromkreis für echte EKG-Messungen verwenden, stellen Sie bitte sicher, dass der Stromkreis und die Verbindungen zwischen Stromkreis und Instrument Batteriestrom und andere geeignete Isolationstechniken verwenden.

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Schritt 1: Kennen Sie Ihre Sachen

Das Elektrokardiogramm (EKG) ist ein wichtiges Instrument, das von Ärzten verwendet wird, um die elektrische Aktivität des Herzens zu überwachen. Es ist nützlich, um alles zu erfassen, von abnormalen Herzrhythmen bis hin zur Diagnose von Hitzeversagen. Indem Sie dieser Anleitung folgen, können Sie ein Gerät bauen, das das Elektrokardiogramm einer Person nur mit grundlegenden Breadboarding-Fähigkeiten und allgemeinen Elektroniklaborgeräten anzeigt. Sobald Sie eine gute Signalausgabe haben, können Sie dieses Signal verwenden, um die Herzfrequenz oder eine andere interessante Metrik mit einem Mikrocontroller zu berechnen.

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Wenn Sie nicht wissen, was ein EKG ist, ist es einfach eine Aufzeichnung der Herzaktivität. Aufgrund der elektrischen Natur der Herzkontraktionen kann man die Spannungsänderung aufzeichnen, indem man Elektroden auf die Haut legt und das Signal verarbeitet. Der zeitliche Verlauf dieser Spannungen wird als Elektrokardiogramm (kurz EKG) bezeichnet. EKGs werden typischerweise verwendet, um verschiedene Formen von Herzinsuffizienz zu diagnostizieren oder den Stress des Patienten passiv zu überwachen. Ein gesundes EKG weist spezifische Merkmale auf, die bei Menschen universell sind. (Dazu gehören eine P-Welle, Q-Welle, R-Welle, S-Welle, T-Welle und ein QRS-Komplex.) Ich habe ein vereinfachtes Diagramm eines EKGs mit der entsprechenden Reaktion des Herzens bereitgestellt.

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Beachten Sie, dass jedes elektrische Ereignis, das in den Nerven des Herzens auftritt, einem physischen Ereignis entspricht, das folglich im Muskelgewebe auftritt, und während sich ein Teil des Herzens zusammenzieht, entspannen sich die anderen Teile. Auf diese Weise ist das Timing elektrischer Signale im Herzen sehr wichtig, was ein EKG zu einem sehr leistungsfähigen Instrument zur Messung der Herzgesundheit macht.

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Damit wir ein tatsächliches EKG aufzeichnen können, spielen jedoch viele logistische Aspekte eine Rolle, wie z. Um dies zu kompensieren, entwerfen wir eine Schaltung, die aus 3 Teilen besteht: einem Differenzverstärker, um die Größe unseres Signals zu erhöhen, einem Tiefpassfilter, um hochfrequentes Signalrauschen zu eliminieren, und einem Sperrfilter, um 60 Hz-Rauschen zu entfernen, das ist in Gebäuden, die mit Wechselstrom versorgt werden, immer vorhanden. Ich werde Ihnen unten die Beobachtung dieser Schritte im Detail beschreiben.

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Schritt 2: Sammeln Sie Ihre Vorräte

Für dieses Projekt benötigen Sie:

- 1 großes Steckbrett (mit 2 oder mehr ist jedoch schöner)

- 5 Allzweck-Operationsverstärker

(Ich habe den UA741 mit +-15 V verwendet, stellen Sie nur sicher, dass die von Ihnen ausgewählten 15 Volt verarbeiten können, ansonsten müssen Sie die Werte Ihrer passiven Komponenten anpassen und Sie müssen sich mit weniger Verstärkung zufrieden geben)

Widerstände

o 2x 165 Ohm

o 3x 1kOhm

o 2x 15k Ohm

o 2x 33kOhm

o 1x 42kOhm

o 2x 60kOhm

Kondensatoren

o 2x 22nF

o 2x 1μF

o 1x 2Μf

- Eine Fülle von Überbrückungsdrähten

- Eine Gleichspannungsquelle, die +-15 V. liefern kann

- Ein Funktionsgenerator und ein Oszilloskop (hauptsächlich zur Fehlersuche)

- Mindestens drei Klebeelektroden, wenn Sie ein tatsächliches EKG aufzeichnen möchten

- Genug Kabel, um all diesen Unsinn zu verbinden

- Ein solides Verständnis von Schaltungen, Operationsverstärkern und Erfahrung mit Breadboarding.

Wenn Sie gerade ein Steckbrett zu Ihrem Geburtstag bekommen haben und versuchen möchten, etwas Cooles damit zu machen, machen Sie mindestens ein paar einfachere Builds, bevor Sie dies ausprobieren.

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Schritt 3: Bauen Sie den Differenzverstärker auf

Der Differenzverstärker verstärkt unser aufgezeichnetes Signal auf einen brauchbaren Pegel, der auf einem Oszilloskop oder einem Bildschirm angezeigt werden kann. Dieses Schaltungsdesign nimmt die Spannungsdifferenz von den beiden Eingangselektroden auf und verstärkt sie. Dies geschieht, um das Rauschen zu reduzieren, da gemeinsames Rauschen zwischen den Elektroden eliminiert wird. Die Amplitude des EKG-Signals variiert in Abhängigkeit von der Platzierung der Aufzeichnungselektroden und der Person, liegt jedoch typischerweise in der Größenordnung von einigen Millivolt, wenn von den Handgelenken aufgezeichnet wird. (Obwohl dies für dieses Setup nicht erforderlich ist, kann die Signalamplitude durch das Anbringen von Elektroden auf der Brust erhöht werden, aber der Kompromiss ist das Rauschen durch die Lungenbewegung.)

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Ich habe einen Schaltplan des Setups beigefügt. Die Schaltung im Bild sollte Ihr Signal ~1000-fach verstärken. Je nach Art des Operationsverstärkers, für den Sie sich entschieden haben, müssen Sie dies möglicherweise anpassen. Eine schnelle Möglichkeit, dies anzupassen, besteht darin, den Wert von R1 zu ändern. Indem Sie den Wert von R1 halbieren, verdoppeln Sie die Ausgangsverstärkung und umgekehrt.

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Ich gehe davon aus, dass die meisten von Ihnen diese Schaltung auf das Steckbrett übersetzen können, dennoch habe ich ein Diagramm des Steckbrett-Setups beigefügt, um den Prozess zu rationalisieren und hoffentlich Ihre Fehlerbehebungszeit zu verkürzen. Ich habe auch ein Bild der Pinbelegung des UA741 (oder LM741) für Ihre Bequemlichkeit beigefügt. (Für Ihre Zwecke benötigen Sie keine Pins 1, 5 oder 8) Die V+- und V-Pins des Operationsverstärkers werden mit Ihrer +15-V- bzw. -15-V-Versorgung verbunden. -15V ist nicht gleich Masse! Sie können die Kondensatoren auf meinem Steckbrett ignorieren. Sie sind Bypass-Kondensatoren, die Wechselstromrauschen entfernen sollen, aber im Nachhinein den Aufwand nicht wert waren.

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Ich empfehle, jede Phase zu testen, während Sie sie abschließen, um Fehler zu beheben. Wie die Schaltung zeigt, können Sie einen der Eingänge mit Masse und den anderen mit einer kleinen Gleichstromquelle verbinden, um die Verstärkung zu überprüfen. (Stellen Sie sicher, dass Sie <15 mV eingeben, sonst sättigen Sie die Operationsverstärker). Wenn Sie Ihren Gain zum Testen reduzieren müssen, schwitzen Sie nicht, alles über dem 500-fachen Gain wird für unsere Zwecke ausreichend sein. Außerdem, wenn Sie Ihre Schaltung mit einem Gewinn von 1000 gebaut haben und er nur einen Gewinn von 800 zeigt, ist dies nicht das Ende der Welt, die genaue Zahl ist unkritisch.

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Schritt 4: Erstellen Sie den Notch-Filter

Jetzt, da wir unser Signal verstärken können, schauen wir uns an, es zu bereinigen. Wenn Sie jetzt Elektroden an unseren Stromkreis anschließen würden, würde es wahrscheinlich eine Menge Rauschen von 60 Hz geben. Das liegt daran, dass die meisten Gebäude mit 60 Hz Wechselstrom verkabelt sind, was unweigerlich große Rauschsignale verursacht. Um dies zu beheben, bauen wir einen 60 Hz Notch-Filter. Ein Notch-Filter wurde entwickelt, um ganz bestimmte Frequenzen zu dämpfen und andere Frequenzen unberührt zu lassen; perfekt, um 60-Hz-Rauschen loszuwerden.

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Wie zuvor habe ich ein Bild des Schaltplans, des Steckbrett-Setups und meiner eigenen Schaltung beigefügt. Als Hinweis, während der Notch-Filter relativ einfach zu bauen ist, dauerte es am längsten, bis ich mit der Arbeit begann. Mein Eingang wurde gut gedämpft, aber bei 63 Hz statt 60 Hz, was nicht schneidet. Wenn Sie auf das gleiche Problem stoßen, empfehle ich Ihnen, Ihren Wert von R14 zu ändern. (Eine Erhöhung des Widerstands von R14 senkt Ihre Dämpfungsfrequenz und umgekehrt). Wenn Sie eine Box mit variablem Widerstand haben, verwenden Sie sie, um R14 zu ersetzen, und spielen Sie dann mit Widerstandswerten, um genau herauszufinden, was am besten funktioniert, da sie auf Änderungen in der Größenordnung von einzelnen Ohm empfindlich reagiert. Ich landete mit einem 175 Ohm R14, aber theoretisch funktioniert es am besten, um R12 zu entsprechen.

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Sie können diese Stufe erneut testen, indem Sie einen Funktionsgenerator verwenden, um eine 60-Hz-Sinuswelle einzugeben und Ihre Ausgabe auf einem Oszilloskop aufzuzeichnen. Ihre Ausgabe sollte etwa -20 dB oder 10 % der Amplitude der Eingabe betragen. Wie ich bereits sagte, können Sie die Frequenzen in der Nähe zur Optimierung überprüfen.

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Schritt 5: Erstellen Sie den Tiefpassfilter

Wie bereits erwähnt, ist ein weiterer wichtiger Faktor die Reduzierung von Körpergeräuschen und allem anderen, was den Raum, in dem Sie sich befinden, zappt. Ein Tiefpassfilter ist dafür gut geeignet, da Ihr Herzschlag, was die Signale angeht, ziemlich langsam ist. Unser Ziel mit dem Tiefpassfilter ist es, alle Signale zu eliminieren, die Frequenzen enthalten, die höher als Ihr EKG sind. Dazu müssen wir eine „Cutoff-Frequenz“festlegen. In unserem Fall wollen wir alles oberhalb dieser Frequenz eliminieren und alles unterhalb dieser Frequenz wollen wir behalten. Während ein Herzschlag in der Größenordnung von 1 bis 3 Hertz auftritt, bestehen die einzelnen Wellenformen, aus denen unser EKG besteht, aus viel höheren Frequenzen; in der Nähe von 1 bis 50 Hertz. Aus diesem Grund habe ich eine Grenzfrequenz von 80 Hz gewählt. Es ist hoch genug, um alle nützlichen Komponenten im Signal zu halten, aber dennoch das Rauschen des HAM-Radios, das Sie im Nebenraum haben, zu unterdrücken.

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Ich habe keine weisen Ratschläge zum Tiefpassfilter, es ist im Vergleich zu den anderen Stufen sehr einfach. Machen Sie sich ähnlich wie beim Verstärker keine Sorgen um eine präzise Cutoff bei 80 Hz; dies ist nicht entscheidend und wird realistischerweise nicht passieren. Trotzdem sollten Sie die Ausgabe mit einem Funktionsgenerator überprüfen. Als Faustregel gilt, dass eine Sinuswelle mit 10 Hz unberührt durch das Filter gehen und um 130 Hz halbiert werden sollte.

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Schritt 6: Schließen Sie es an

Wenn Sie es bis hierher geschafft haben, herzlichen Glückwunsch! Sie haben alle Komponenten eines EKGs. Alles, was Sie tun müssen, ist, sie miteinander zu verbinden, die Elektroden anzulegen und den Ausgang an das Oszilloskop anzuschließen, um Ihr EKG zu sehen!

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Falls Sie sich beim Anlegen der Elektroden nicht sicher sind, empfehle ich Ihnen, die Eingangselektroden an Ihre Handgelenke zu kleben (eine an jedem Handgelenk) und eine Erdungselektrode an Ihr Bein anzuschließen (das Bild kann helfen.) Zur Erinnerung: Jede Eingangselektrode sollte gehen einen positiven Eingang an den Operationsverstärkern im Verstärker. (Er wird nur zu Simulationszwecken im Schaltplan geerdet)

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Sobald Sie verbunden sind, schließen Sie den Ausgang des Tiefpassfilters an ein Oszilloskop an und seien Sie stolz auf sich! Lassen Sie alle Ihre Kinder kommen, Elektroden anlegen und auf ihren Herzschlag schauen. Verdammt, bringen Sie Ihre Nachbarn dazu, es auszuprobieren. Wenn Sie besonders motiviert sind, schließen Sie den Ausgang an einen Mikrocontroller an, um die Herzfrequenz aus dem Einzel zu berechnen. (Sie möchten wahrscheinlich die Verstärkung verringern, bevor Sie dies tun, da dies das von Ihnen verwendete Board braten kann). Trotzdem Glückwunsch zum Bau und viel Spaß beim Basteln!

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