מעגל אלקטרוקרדיוגרם (א.ק.ג.): 7 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:17

הערה: זהו אינו מכשיר רפואי. זה מיועד למטרות לימוד רק באמצעות אותות מדומים. אם אתה משתמש במעגל זה למדידות א.ק.ג אמיתיות, ודא שהמעגל וחיבורי המעגל למכשיר משתמשים בטכניקות בידוד נאותות.

אנו שני סטודנטים בהנדסה ביו -רפואית ולאחר שעברנו את שיעור המעגלים הראשון, התרגשנו למדי והחלטנו להשתמש ביסודות שלמדנו כדי לעשות משהו מועיל: להציג א.ק.ג ולקרוא את קצב הלב. זה יהיה המעגל המורכב ביותר שבנינו עד כה!

קצת רקע על א.ק.ג.

מכשירים חשמליים רבים משמשים למדידה ורישום של פעילות ביולוגית בגוף האדם. מכשיר אחד כזה הוא האלקטרוקרדיוגרמה, שמודדת את האותות החשמליים שמייצר הלב. אותות אלה נותנים מידע אובייקטיבי על מבנה הלב ותפקודו. האק ג פותח לראשונה בשנת 1887 ונתן לרופאים דרך חדשה לאבחן סיבוכים בלב. א.ק.ג. יכול לזהות קצב לב, קצב לב, התקפי לב, אספקת דם וחמצן מספקת ללב וחריגות מבניות. בעזרת עיצוב מעגלים פשוט ניתן לבצע א.ק.ג שיכול לפקח על כל הדברים האלה.

שלב 1: חומרים

בניית המעגל

חומרים בסיסיים הדרושים לבניית המעגל מוצגים בתמונות. הם כוללים:

• לוח לחם

• מגברים תפעוליים

  • כל מגברי ההפעלה המשמשים במעגל זה הם LM741.
  • למידע נוסף, עיין בגיליון הנתונים:
• נגדים
• קבלים
• חוטים

• אלקטרודות נדבקות

  אלה נחוצים רק אם תחליט לנסות את המעגל על אדם אמיתי

התוכנה בה נעשה שימוש כוללת:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab או PSpice להדמיות לבדיקת ערכים

• לְהִצטַיֵן

  זה מומלץ מאוד למקרה שתצטרך לשנות מאפיינים כלשהם של המעגל שלך. ייתכן שיהיה עליך גם לשחק עם המספרים עד שתמצא ערכי הנגד והקבלים הזמינים. חישובי עט-נייר לא מומלצים עבור זה! צירפנו את חישובי הגיליון האלקטרוני שלנו כדי לתת מושג

בודק את המעגל

תזדקק גם לציוד אלקטרוני גדול יותר:

• ספק כוח DC
• לוח DAQ לממשק המעגל ל- LabVIEW
• מחולל פונקציות לבדיקת מעגל
• אוסצילוסקופ לבדיקת מעגל

שלב 2: מגבר מכשור

למה אנחנו צריכים את זה:

נבנה מגבר מכשור על מנת להעצים את המשרעת הקטנה הנמדדת מהגוף. שימוש בשני מגברים בשלב הראשון שלנו יאפשר לנו לבטל את הרעש שנוצר על ידי הגוף (שיהיה זהה בשתי האלקטרודות). נשתמש בשני שלבים של רווח שווה בערך - זה מגן על המשתמש אם המערכת מחוברת לאדם על ידי מניעת כל הרווח להתרחש במקום אחד. מכיוון שהמשרעת הרגילה של אות א.ק.ג היא בין 0.1 ל -5 mV, אנו רוצים שהרווח של מגבר המכשור יהיה בערך 100. סובלנות מקובלת על הרווח היא 10%.

איך בונים אותו:

בעזרת מפרטים אלה והמשוואות המופיעות בטבלה (תמונות מצורפות), מצאנו שערכי הנגד שלנו הם R1 = 1.8 קילו -אוהם, R2 = 8.2 קילו -אוהם, R3 = 1.5 קילו -אוהם ו- R4 = 15 קילו -אוהם. K1 הוא הרווח של השלב הראשון (OA1 ו- OA2), ו- K2 הוא הרווח של השלב השני (OA3). קבלים עוקפים שווים משמשים על ספקי הכוח של המגברים התפעוליים להסרת רעש.

כיצד לבדוק זאת:

כל אות שמוזין למגבר המכשור צריך להיות מוגבר ב- 100. שימוש ב- dB = 20log (Vout/Vin) פירושו יחס של 40 dB. אתה יכול לדמות זאת ב- PSpice או ב- CircuitLab, או לבדוק את המכשיר הפיזי, או את שניהם!

תמונת האוסילוסקופ המצורפת מראה רווח של 1000. עבור א.ק.ג אמיתי, זה גבוה מדי!

שלב 3: מסנן חריץ

למה אנחנו צריכים את זה:

נשתמש במסנן חריץ כדי להסיר את רעש 60 הרץ הקיים בכל ספקי הכוח בארצות הברית.

איך בונים אותו:

אנו נקבע את גורם האיכות Q להיות 8, שיספק פלט סינון מקובל תוך שמירה על ערכי רכיבים בטווח ריאלי. הגדרנו גם את ערך הקבל להיות 0.1 μF כך שהחישובים ישפיעו על הנגדים בלבד. ניתן לראות את ערכי הנגד המחושבים והמשמשים אותם בטבלה (בתמונות) או למטה

• ש = w/B

  הגדר את Q ל- 8 (או בחר בעצמך על פי הצורך שלך)

• w = 2*pi*f

  השתמש ב- f = 60 הרץ

• ג

  הגדר ל- 0.1 uF (או בחר ערך משלך מהקבלים הזמינים)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  לחשב. הערך שלנו הוא 1.66 קאוהם

• R2 = 2*Q/(w*C)

  לחשב. הערך שלנו הוא 424.4 קאוהם

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  לחשב. הערך שלנו הוא 1.65 קאוהם

כיצד לבדוק זאת:

מסנן החריץ צריך להעביר את כל התדרים ללא שינוי למעט אלה בסביבות 60 הרץ. ניתן לבדוק זאת בעזרת מטאטא AC. מסנן בעל רווח של -20 dB ב -60 הרץ נחשב לטוב. אתה יכול לדמות זאת ב- PSpice או ב- CircuitLab, או לבדוק את המכשיר הפיזי, או את שניהם!

סוג זה של מסנן חריץ עשוי לייצר חריץ טוב בסריקת AC המדומה, אך בדיקה פיזית הראתה שהערכים המקוריים שלנו יצרו חריץ בתדר נמוך מהמתוכנן. כדי לתקן זאת, הגענו ל- R2 בכ -25 קאוהם.

תמונת האוסילוסקופ מראה שהמסנן מקטין מאוד את גודל אות הכניסה ב -60 הרץ. הגרף מציג טאטא AC למסנן חריץ באיכות גבוהה.

שלב 4: מסנן מעבר נמוך

למה אנחנו צריכים את זה:

השלב האחרון של המכשיר הוא מסנן פעיל של מעבר נמוך. אות הא.ק.ג עשוי מצורות גל רבות ושונות, שלכל אחת מהן יש תדר משלה. אנחנו רוצים ללכוד את כל אלה, ללא רעש בתדירות גבוהה. נבחר תדר החיתוך הסטנדרטי עבור מסכי א.ק.ג. של 150 הרץ. (לפעמים נבחרים ניתוק גבוה יותר כדי לעקוב אחר בעיות לב ספציפיות, אך עבור הפרויקט שלנו נשתמש בחיתוך רגיל).

אם תרצה ליצור מעגל פשוט יותר, תוכל גם להשתמש במסנן פסיבי נמוך. זה לא יכלול מגבר אופ, והוא יכלול רק נגד בסדרה עם קבלים. מתח המוצא יימדד על פני הקבל.

איך בונים אותו:

אנו נעצב אותו כמסנן Butterworth מסדר שני, בעל מקדמים a ו- b השווים 1.414214 ו- 1, בהתאמה. הגדרת הרווח ל -1 הופכת את המגבר התפעולי לחסיד מתח. המשוואות והערכים שנבחרו מוצגים בטבלה (בתמונות) ומתחת.

• w = 2*pi*f

  סט f = 150 הרץ

• C2 = 10/f

  לחשב. הערך שלנו הוא 0.067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  לחשב. הערך שלנו הוא 0.033 uF

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

  לחשב. הערך שלנו הוא 18.836 קוהם

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  לחשב. הערך שלנו הוא 26.634 קאוהם

כיצד לבדוק זאת:

המסנן צריך לעבור תדרים מתחת לחתך ללא שינוי. ניתן לבדוק זאת באמצעות מטאטא AC. אתה יכול לדמות זאת ב- PSpice או ב- CircuitLab, או לבדוק את המכשיר הפיזי, או את שניהם!

תמונת האוסילוסקופ מציגה את תגובת המסנן ב -100 הרץ, 150 הרץ ו -155 הרץ. למעגל הפיזי שלנו היה נתק קרוב יותר ל- 155 הרץ, המוצג ביחס -3 dB.

שלב 5: מסנן מעבר גבוה

למה אנחנו צריכים את זה:

מסנן ה- high-pass משמש כך שתדרים מתחת לערך ניתוק מסוים לא יירשמו, מה שמאפשר לעבור אות נקייה. תדר הקיצוץ נבחר להיות 0.5 הרץ (ערך סטנדרטי לצגי א.ק.ג.).

איך בונים אותו:

ערכי הנגד והקבלים הדרושים כדי להשיג זאת נראים להלן. ההתנגדות שלנו בפועל הייתה 318.2 קאוהם.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • להגדיר f = 0.5 הרץ, ו- C = 1 uF
  • חישוב R. הערך שלנו הוא 318.310 קאוהם

כיצד לבדוק זאת:

המסנן צריך לעבור תדרים מעל החתך ללא שינוי. ניתן לבדוק זאת באמצעות מטאטא AC. אתה יכול לדמות זאת ב- PSpice או ב- CircuitLab, או לבדוק את המכשיר הפיזי, או את שניהם!

שלב 6: הגדרת LabVIEW

תרשים הזרימה מפרט את הרעיון העיצובי של חלק LabVIEW בפרויקט המתעד את האות בקצב דגימה גבוה ומציג את קצב הלב (BPM) ו- ECG. מעגל LabView שלנו מכיל את הרכיבים הבאים: עוזר DAQ, מערך אינדקס, אופרטורים אריתמטיים, זיהוי שיא, אינדיקטורים מספריים, גרף צורת גל, שינוי זמן, מזהה מקסימום/דקה וקבועי מספרים. עוזר DAQ אמור לקחת דגימות רציפות בקצב של 1 קילוהרץ, כאשר מספר הדגימות משתנה בין 3, 000 ל -5, 000 דגימות למטרות זיהוי שיא ובהירות האות.

העבר את העכבר מעל הרכיבים השונים בתרשים המעגלים כדי לקרוא היכן ב- LabVIEW למצוא אותם!

שלב 7: איסוף נתונים

כעת, לאחר שהמעגל הורכב, ניתן לאסוף נתונים כדי לראות אם הוא פועל! שלח א.ק.ג מדומה דרך המעגל במהירות 1 הרץ. התוצאה צריכה להיות אות א.ק.ג נקי שבו ניתן לראות בבירור את מכלול QRS, גל P ו- T. קצב הלב צריך גם להציג 60 פעימות לדקה (bpm). כדי לבדוק עוד את המעגל ואת ההתקנה של LabVIEW, שנה את התדר ל -1.5 הרץ ו -0.5 הרץ. קצב הלב אמור להשתנות ל -90 פעימות לדקה ו -30 פעימות לדקה בהתאמה.

כדי שהדופק איטי יותר יוצג במדויק ייתכן שיהיה עליך להתאים את הגדרות ה- DAQ כדי להציג גלים נוספים לגרף. ניתן לעשות זאת על ידי הגדלת מספר הדגימות.

אם תבחר לבדוק את המכשיר על אדם, וודא שספק הכוח שבו אתה משתמש עבור מגברי ההפעלה מגביל את הזרם ב 0.015 mA! ישנן מספר תצורות עופרת מקובלות אך בחרנו למקם את האלקטרודה החיובית על הקרסול השמאלי, את האלקטרודה השלילית על פרק כף היד הימנית ואת האלקטרודה הקרקעית על הקרסול הימני כפי שניתן לראות בתמונה המצורפת.

בעזרת כמה מושגי מעגל בסיסיים והידע שלנו על הלב האנושי הראינו לך כיצד ליצור מכשיר מהנה ושימושי. אנו מקווים שנהניתם מההדרכה שלנו!