Maak uw eigen elektrocardiogram (ECG): 6 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:19

KENNISGEVING:

Dit is geen medisch hulpmiddel. Dit is alleen voor educatieve doeleinden, met behulp van gesimuleerde signalen. Als u dit circuit gebruikt voor echte ECG-metingen, zorg er dan voor dat het circuit en de circuit-naar-instrument-verbindingen batterijvoeding en andere juiste isolatietechnieken gebruiken.

[Afbeelding afkomstig van

Stap 1: Ken je spullen

Het elektrocardiogram (ECG) is een belangrijk hulpmiddel dat door artsen wordt gebruikt om de elektrische activiteit van het hart te volgen. Het is handig bij het vastleggen van alles, van abnormale hartritmes tot het diagnosticeren van hittefalen. Door deze Instructable te volgen, kunt u een apparaat bouwen dat het elektrocardiogram van een persoon weergeeft met alleen elementaire breadboarding-vaardigheden en algemene elektronische laboratoriumapparatuur. Als je eenmaal een goede signaaluitvoer hebt, kun je hetzelfde signaal gebruiken om de hartslag te berekenen, of een andere interessante metriek met behulp van een microcontroller.

-

Als u niet weet wat een ECG is, is het gewoon een registratie van de activiteit van het hart. Vanwege de elektrische aard van de samentrekkingen van het hart, kan men de verandering in spanning registreren door elektroden op de huid te plaatsen en het signaal te verwerken. De plot van deze spanningen in de tijd wordt een elektrocardiogram (kortweg ECG) genoemd. ECG's worden meestal gebruikt om verschillende vormen van hartfalen te diagnosticeren of om de stress van de patiënt passief te bewaken. Een gezond ECG heeft specifieke kenmerken die universeel zijn tussen mensen. (Dit omvat een P-golf, Q-golf, R-golf, S-golf, T-golf en een QRS-complex.) Ik heb een vereenvoudigd diagram van een ECG gegeven met de bijbehorende reactie van het hart.

-

Merk op dat elke elektrische gebeurtenis die in de zenuwen van het hart plaatsvindt, overeenkomt met een fysieke gebeurtenis die bijgevolg plaatsvindt in het spierweefsel, en terwijl een deel van het hart samentrekt, ontspannen de andere delen. Op deze manier is de timing van elektrische signalen erg belangrijk in het hart, waardoor een ECG een zeer krachtig hulpmiddel is bij het meten van de gezondheid van het hart.

-

Om een echt ECG op te nemen, spelen echter veel logistieke problemen een rol, zoals de grootte van het signaal, de hoeveelheid ruis die van de rest van het lichaam komt en de hoeveelheid ruis die uit de omgeving komt. Om dit te compenseren, ontwerpen we een circuit dat uit 3 delen zal bestaan: een differentiële versterker om de grootte van ons signaal te vergroten, een laagdoorlaatfilter om hoogfrequente signaalruis te elimineren en een inkepingsfilter om 60 Hz-ruis te verwijderen die is altijd aanwezig in gebouwen die van wisselstroom worden voorzien. Ik zal het horloge van deze stappen in detail aan u hieronder beschrijven.

[Afbeelding afkomstig van

Stap 2: Verzamel uw benodigdheden

Voor dit project heb je nodig:

- 1 groot breadboard (met 2 of meer is echter leuker)

- 5 algemene op-amps

(Ik gebruikte de UA741 met +-15 V, zorg er alleen voor dat degene die je kiest 15 volt aankan, anders moet je de waarden van je passieve componenten aanpassen en moet je genoegen nemen met minder versterking)

Weerstanden

o 2x 165 ohm

o 3x 1k ohm

o 2x 15k ohm

o 2x 33k ohm

o 1x 42k ohm

o 2x 60k ohm

Condensatoren

2x 22nF

o 2x 1μF

o 1x 2Μf

- Een overvloed aan jumperdraden

- Een DC-spanningsbron die +-15 V. kan leveren

- Een functiegenerator en oscilloscoop (voornamelijk voor het oplossen van problemen)

- Ten minste drie kleverige elektroden als u van plan bent een echte ECG op te nemen

- Genoeg kabels om al deze onzin aan te sluiten

- Een goed begrip van circuits, op-amps en ervaring met breadboarding.

Als je net een breadboard voor je verjaardag hebt gekregen en er iets leuks mee wilt maken, doe dan op zijn minst een paar eenvoudigere builds voordat je dit uitprobeert.

-

Stap 3: Bouw de differentiële versterker

De differentiële versterker is wat ons opgenomen signaal zal versterken tot een bruikbaar niveau dat op een scoop of een scherm kan worden weergegeven. Dit circuitontwerp neemt het verschil in spanning van de twee ingangselektroden en versterkt het. Dit wordt gedaan om ruis te verminderen, aangezien gemeenschappelijke ruis tussen de elektroden wordt geëlimineerd. Het ECG-signaal varieert in amplitude, afhankelijk van de plaatsing van de opname-elektroden en het individu, maar is meestal in de orde van enkele millivolt bij het opnemen vanaf de polsen. (Hoewel het voor deze opstelling niet nodig is, kan de signaalamplitude worden verhoogd door elektroden op de borst te plaatsen, maar de wisselwerking is ruis van longbeweging.)

-

Ik heb een schema van de opstelling bijgevoegd. Het circuit in de afbeelding zou je signaal ~1000 maal moeten versterken. Mogelijk moet u dit aanpassen, afhankelijk van het type op-amp dat u wilt gebruiken. Een snelle manier om dit aan te passen is door de waarde van R1 te wijzigen. Door de waarde van R1 te halveren, verdubbelt u de uitgangsversterking en vice versa.

-

Ik neem aan dat de meesten van jullie dit circuit naar het breadboard kunnen vertalen, maar ik heb een diagram van de breadboard-configuratie toegevoegd om het proces te stroomlijnen en hopelijk de tijd voor het oplossen van problemen te verminderen. Ik heb voor uw gemak ook een afbeelding van de UA741 (of LM741) pinout toegevoegd. (voor uw doeleinden heeft u geen pinnen 1, 5 of 8) nodig. De V+ en V- pinnen op de op-amp worden respectievelijk verbonden met uw +15 V en -15 V voeding. -15V is niet hetzelfde als aarde! Je kunt de condensatoren op mijn breadboard negeren. Het zijn bypass-condensatoren die bedoeld zijn om AC-ruis te verwijderen, maar achteraf gezien niet de moeite waard waren.

-

Ik raad aan om elke fase te testen terwijl u deze voltooit om problemen op te lossen. Zoals het circuit laat zien, kunt u een van de ingangen op aarde aansluiten en de andere op een kleine DC-bron om de versterking te controleren. (zorg ervoor dat u <15 mV invoert, anders verzadigt u de op-amps). Als u uw winst voor het testen moet verminderen, maak u dan geen zorgen, alles boven de 500-voudige winst is voldoende voor onze doeleinden. Bovendien, als je je circuit hebt gebouwd om een winst van 1000 te hebben en het toont slechts een winst van 800, dan is dit niet het einde van de wereld, het exacte aantal is niet-kritiek.

-

Stap 4: Bouw het inkepingsfilter

Nu we ons signaal kunnen versterken, gaan we het opruimen. Als je nu elektroden op ons circuit zou aansluiten, zou het waarschijnlijk een ton 60 Hz-ruis hebben. Dat komt omdat de meeste gebouwen bedraad zijn met 60 Hz wisselstroom, wat onvermijdelijk grote ruissignalen veroorzaakt. Om dit te verhelpen gaan we een 60 Hz notch filter bouwen. Een notch-filter is ontworpen om zeer specifieke frequenties te dempen en andere frequenties onaangeroerd te laten; perfect voor het wegwerken van 60 Hz ruis.

-

Zoals eerder heb ik een afbeelding toegevoegd van het circuitschema, de breadboard-opstelling en mijn eigen circuit. Als een opmerking, hoewel het notch-filter een relatief eenvoudige fase is om te bouwen, duurde het het langst voordat ik aan de slag ging. Mijn input werd goed afgezwakt, maar op 63 Hz in plaats van 60 Hz, wat het niet zal verminderen. Als u hetzelfde probleem tegenkomt, raad ik u aan uw waarde van R14 te wijzigen. (Verhoging van de weerstand van R14 zal uw dempingsfrequentie verlagen en vice versa). Als je een box met variabele weerstand hebt, gebruik deze dan om R14 te vervangen en speel dan met weerstandswaarden om erachter te komen wat het beste werkt, omdat het gevoelig zal zijn voor veranderingen in de orde van grootte van enkele ohm. Ik eindigde met een 175 ohm R14, maar in theorie werkt het het beste om R12 te evenaren.

-

Nogmaals, je kunt deze fase testen door een functiegenerator te gebruiken om een 60 Hz sinusgolf in te voeren en je output op een oscilloscoop op te nemen. Uw output zou ongeveer -20 dB of 10% van de amplitude van de input moeten zijn. Zoals ik al eerder zei, kunt u frequenties in de buurt controleren voor optimalisatie.

-

Stap 5: Bouw het laagdoorlaatfilter

Zoals eerder vermeld, is een andere belangrijke factor het verminderen van ruis van je lichaam en al het andere dat de kamer waarin je je bevindt zapt. Een laagdoorlaatfilter is hier goed in omdat, wat signalen betreft, je hartslag behoorlijk traag is. Ons doel met het laagdoorlaatfilter is om alle signalen te elimineren die frequenties bevatten die hoger zijn dan uw ECG. Om dit te doen, moeten we een "afsnijfrequentie" aanwijzen. In ons geval willen we alles boven deze frequentie elimineren, en alles onder deze frequentie willen we behouden. Terwijl een hartslag optreedt in de orde van 1 tot 3 Hertz, bestaan de individuele golfvormen waaruit ons ECG bestaat uit frequenties die veel hoger zijn dan dit; in de buurt van 1 tot 50 Hertz. Daarom heb ik gekozen voor een afsnijfrequentie van 80 Hz. Het is hoog genoeg om alle nuttige componenten in het signaal te houden, maar dempt nog steeds de ruis van de HAM-radio die je in de volgende kamer hebt.

-

Ik heb geen wijs advies over het laagdoorlaatfilter, het is heel eenvoudig in vergelijking met de andere fasen. Net als bij de versterker, hoeft u zich geen zorgen te maken over het verkrijgen van een nauwkeurige afsnijding bij 80 Hz; dit is niet cruciaal en zal realistisch gezien niet gebeuren. Desalniettemin moet u de uitvoer ervan controleren met behulp van een functiegenerator. Als vuistregel geldt dat een sinusgolf bij 10 Hz onaangeroerd door het filter moet gaan en met 130 Hz gehalveerd moet worden.

-

Stap 6: Sluit het aan

Als je zover bent gekomen, gefeliciteerd! Je hebt alle onderdelen van een ECG. Het enige dat u hoeft te doen, is ze met elkaar verbinden, op de elektroden klikken en de uitgang op de oscilloscoop aansluiten om uw ECG te zien!

-

Als u niet zeker weet hoe u elektroden moet plaatsen, raad ik aan de invoerelektroden op uw polsen te plakken (één op elke pols) en een aardelektrode op uw been aan te sluiten (de afbeelding kan helpen). Ter herinnering: elke invoerelektrode moet ga een positieve ingang op de op-amps in de versterker. (Het is alleen geaard in het schakelschema voor simulatiedoeleinden)

-

Als je eenmaal bent aangesloten, sluit je de uitgang van het laagdoorlaatfilter aan op een oscilloscoop en wees trots op jezelf! Laat al uw kinderen elektroden opzetten en naar hun hartslag kijken. Laat je buren het maar eens proberen. Als je je extra gemotiveerd voelt, sluit je de output aan op een microcontroller om de hartslag van de single te berekenen. (U wilt waarschijnlijk de versterking verlagen voordat u dit doet, dit kan het bord dat u gebruikt frituren). Hoe dan ook, gefeliciteerd met de bouw en veel plezier met het maken!

[Afbeelding afkomstig van