دائرة مخطط كهربية القلب (ECG): 7 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:41

ملاحظة: هذا ليس جهازًا طبيًا. هذا للأغراض التعليمية فقط باستخدام إشارات محاكاة. في حالة استخدام هذه الدائرة لإجراء قياسات حقيقية لمخطط كهربية القلب ، يرجى التأكد من أن الدائرة والتوصيلات من الدائرة إلى الجهاز تستخدم تقنيات عزل مناسبة.

نحن طالبان في الهندسة الطبية الحيوية وبعد أن أخذنا فصل الدوائر الأول ، كنا متحمسين للغاية وقررنا استخدام الأساسيات التي تعلمناها للقيام بشيء مفيد: عرض مخطط كهربية القلب وقراءة معدل ضربات القلب. ستكون هذه الدائرة الأكثر تعقيدًا التي بنيناها حتى الآن!

بعض المعلومات الأساسية عن مخطط كهربية القلب:

تستخدم العديد من الأجهزة الكهربائية لقياس وتسجيل النشاط البيولوجي في جسم الإنسان. أحد هذه الأجهزة هو مخطط كهربية القلب ، الذي يقيس الإشارات الكهربائية التي ينتجها القلب. تعطي هذه الإشارات معلومات موضوعية عن بنية ووظيفة القلب. تم تطوير مخطط كهربية القلب لأول مرة في عام 1887 ومنح الأطباء طريقة جديدة لتشخيص مضاعفات القلب. يمكن أن تكتشف أجهزة تخطيط القلب نظم القلب ومعدل ضربات القلب والنوبات القلبية وعدم كفاية إمداد القلب بالدم والأكسجين والتشوهات الهيكلية. باستخدام تصميم دائرة بسيط ، يمكن عمل مخطط كهربية القلب الذي يمكنه مراقبة كل هذه الأشياء.

الخطوة 1: المواد

بناء الدائرة

المواد الأساسية اللازمة لبناء الدائرة موضحة بالصور. يشملوا:

• اللوح

• مكبرات الصوت التنفيذية

  • جميع أمبيرات المرجع المستخدمة في هذه الدائرة هي LM741.
  • لمزيد من المعلومات ، راجع ورقة البيانات:
• المقاومات
• المكثفات
• الأسلاك

• أقطاب كهربائية مثبتة

  هذه مطلوبة فقط إذا قررت تجربة الدائرة على شخص حقيقي

البرامج المستخدمة تشمل:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab أو PSpice لعمليات المحاكاة للتحقق من القيم

• اكسل

  يوصى بهذا بشدة في حالة احتياجك لتغيير أي من خصائص دائرتك. قد تحتاج أيضًا إلى اللعب بالأرقام حتى تجد قيم المقاومة والمكثفات المتوفرة بسهولة. تم تثبيط حسابات القلم والورق لهذا واحد! لقد أرفقنا حسابات جدول البيانات لدينا لإعطاء فكرة

اختبار الدائرة

ستحتاج أيضًا إلى بعض المعدات الإلكترونية الأكبر حجمًا:

• DC امدادات الطاقة
• لوحة DAQ لربط الدائرة بـ LabVIEW
• مولد وظيفة لاختبار الدائرة
• راسم الذبذبات لاختبار الدائرة

الخطوة 2: مضخم الأجهزة

لماذا نحتاجها:

سنقوم ببناء مضخم للأجهزة من أجل تضخيم السعة الصغيرة المقاسة من الجسم. سيسمح لنا استخدام مضخمين في المرحلة الأولى بإلغاء الضوضاء الصادرة عن الجسم (والتي ستكون هي نفسها في كلا القطبين). سنستخدم مرحلتين من الكسب المتساوي - وهذا يحمي المستخدم إذا كان النظام متصلاً بشخص ما عن طريق منع حدوث كل المكاسب في مكان واحد. نظرًا لأن السعة العادية لإشارة مخطط كهربية القلب تتراوح بين 0.1 و 5 ملي فولت ، فإننا نريد أن يكون كسب مضخم الأجهزة حوالي 100. والتفاوت المقبول على الكسب هو 10٪.

كيفية بنائه:

باستخدام هذه المواصفات والمعادلات الموضحة في الجدول (الصور المرفقة) ، وجدنا أن قيم المقاوم لدينا هي R1 = 1.8 كيلو أوم ، R2 = 8.2 كيلو أوم ، R3 = 1.5 كيلو أوم ، R4 = 15 كيلو أوم. K1 هو كسب المرحلة الأولى (OA1 و OA2) ، و K2 هو كسب المرحلة الثانية (OA3). تستخدم مكثفات تجاوز السعة المتساوية في إمدادات الطاقة لمضخمات التشغيل لإزالة الضوضاء.

كيفية اختباره:

يجب تضخيم أي إشارة يتم إدخالها إلى مضخم الأجهزة بمقدار 100. باستخدام dB = 20log (Vout / Vin) هذا يعني نسبة 40 ديسيبل. يمكنك محاكاة هذا في PSpice أو CircuitLab ، أو اختبار الجهاز المادي ، أو كليهما!

تُظهر صورة الذبذبات المرفقة ربحًا قدره 1000. بالنسبة لتخطيط القلب الحقيقي ، هذا مرتفع جدًا!

الخطوة 3: تصفية الشق

لماذا نحتاجها:

سنستخدم مرشح درجة لإزالة ضوضاء 60 هرتز الموجودة في جميع مصادر الطاقة في الولايات المتحدة.

كيفية بنائه:

سنقوم بتعيين عامل الجودة Q ليكون 8 ، والذي سيوفر ناتج ترشيح مقبول مع الحفاظ على قيم المكونات في نطاق ممكن. قمنا أيضًا بتعيين قيمة المكثف لتكون 0.1 μF بحيث تؤثر الحسابات على المقاومات فقط. يمكن رؤية قيم المقاوم المحسوبة والمستخدمة في الجدول (بالصور) أو أدناه

• س = ث / ب

  اضبط Q على 8 (أو اختر ما يناسبك بناءً على حاجتك الخاصة)

• ث = 2 * بي * و

  استخدم f = 60 هرتز

• ج

  اضبط على 0.1 فائق التوهج (أو اختر القيمة الخاصة بك من المكثفات المتاحة)

• R1 = 1 / (2 * س * ث * ج)

  احسب. قيمتنا هي 1.66 kohm

• R2 = 2 * س / (ث * ج)

  احسب. قيمتنا هي 424.4 kohm

• R3 = R1 * R2 / (R1 + R2)

  احسب. قيمتنا 1.65 كيلو أوم

كيفية اختباره:

يجب أن يمر مرشح القطع بجميع الترددات دون تغيير باستثناء الترددات حول 60 هرتز. يمكن التحقق من ذلك عن طريق مسح التيار المتردد. يعتبر المرشح الذي يتمتع بكسب -20 ديسيبل عند 60 هرتز جيدًا. يمكنك محاكاة هذا في PSpice أو CircuitLab ، أو اختبار الجهاز المادي ، أو كليهما!

قد ينتج عن هذا النوع من مرشح الدرجة درجة جيدة في محاكاة اكتساح التيار المتردد ، ولكن أظهر اختبار مادي أن قيمنا الأصلية تولد درجة بتردد أقل من المقصود. لإصلاح ذلك ، قمنا برفع مستوى R2 بحوالي 25 كيلو أوم.

تُظهر صورة الذبذبات أن المرشح يقلل بشكل كبير من حجم إشارة الدخل عند 60 هرتز. يوضح الرسم البياني مسح التيار المتردد لمرشح درجة عالية الجودة.

الخطوة 4: مرشح الترددات المنخفضة

لماذا نحتاجها:

المرحلة الأخيرة من الجهاز هي مرشح تمرير منخفض نشط. تتكون إشارة مخطط كهربية القلب من العديد من الأشكال الموجية المختلفة ، ولكل منها تردده الخاص. نريد التقاط كل هذه ، دون أي ضوضاء عالية التردد. يتم تحديد تردد القطع القياسي لشاشات ECG البالغ 150 هرتز. (يتم أحيانًا اختيار عمليات قطع أعلى لمراقبة مشكلات القلب المحددة ، ولكن بالنسبة لمشروعنا ، سنستخدم حدًا عاديًا).

إذا كنت ترغب في عمل دائرة أبسط ، يمكنك أيضًا استخدام مرشح تمرير منخفض سلبي. لن يشمل هذا المرجع أمبير ، وسيتكون من المقاوم في سلسلة مع مكثف. سيتم قياس جهد الخرج عبر المكثف.

كيفية بنائه:

سنقوم بتصميمه كمرشح بتروورث من الدرجة الثانية ، والذي له معاملات أ و ب تساوي 1.414214 و 1 على التوالي. يؤدي ضبط الكسب إلى 1 إلى جعل مضخم التشغيل في متابع للجهد. المعادلات والقيم المختارة موضحة في الجدول (بالصور) وأدناه.

• ث = 2 * بي * و

  ضبط f = 150 هرتز

• C2 = 10 / ص

  احسب. قيمتنا هي 0.067 فائق التوهج

• C1 <= C2 * (أ ^ 2) / (4 ب)

  احسب. قيمتنا هي 0.033 uF

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

  احسب. قيمتنا هي 18.836 kohm

• R2 = 1 / (ب * C1 * C2 * R1 * ث ^ 2)

  احسب. قيمتنا هي 26.634 كيلو أوم

كيفية اختباره:

يجب أن يمر المرشح بالترددات التي تقل عن الحد المقطوع دون تغيير. يمكن اختبار ذلك باستخدام جهاز مسح التيار المتردد. يمكنك محاكاة هذا في PSpice أو CircuitLab ، أو اختبار الجهاز المادي ، أو كليهما!

تُظهر صورة الذبذبات استجابة المرشح عند 100 هرتز و 150 هرتز و 155 هرتز. دارتنا الفيزيائية لديها قطع أقرب إلى 155 هرتز ، كما هو موضح بنسبة -3 ديسيبل.

الخطوة 5: مرشح الترددات العالية

لماذا نحتاجها:

يتم استخدام مرشح الترددات العالية بحيث لا يتم تسجيل الترددات التي تقل عن قيمة قطع معينة ، مما يسمح بتمرير إشارة نظيفة. يتم اختيار تردد القطع ليكون 0.5 هرتز (قيمة قياسية لشاشات تخطيط القلب).

كيفية بنائه:

فيما يلي قيم المقاوم والمكثفات اللازمة لتحقيق ذلك. كانت المقاومة الفعلية المستخدمة لدينا 318.2 kohm.

• R = 1 / (2 * pi * f * C)

  • اضبط f = 0.5 هرتز ، و C = 1 uF
  • احسب R. قيمتنا هي 318.310 kohm

كيفية اختباره:

يجب أن يمر المرشح بالترددات فوق القطع دون تغيير. يمكن اختبار ذلك باستخدام جهاز مسح التيار المتردد. يمكنك محاكاة هذا في PSpice أو CircuitLab ، أو اختبار الجهاز المادي ، أو كليهما!

الخطوة 6: إعداد LabVIEW

يحدد المخطط الانسيابي مفهوم التصميم لجزء LabVIEW من المشروع الذي يسجل الإشارة بمعدل أخذ عينات مرتفع ويعرض معدل ضربات القلب (BPM) وتخطيط القلب. تحتوي دائرة LabView الخاصة بنا على المكونات التالية: مساعد DAQ ، ومجموعة الفهرس ، والمشغلين الحسابيين ، وكشف الذروة ، والمؤشرات الرقمية ، والرسم البياني للموجة ، والتغيير في الوقت ، ومعرف الحد الأقصى / الدقيق ، وثوابت الأرقام. تم تعيين مساعد DAQ لأخذ عينات مستمرة بمعدل 1 كيلو هرتز ، مع تغيير عدد العينات بين 3000 و 5000 عينة لأغراض الكشف عن الذروة ووضوح الإشارة.

مرر الماوس فوق المكونات المختلفة في مخطط الدائرة لقراءة مكان العثور عليها في LabVIEW!

الخطوة 7: جمع البيانات

الآن وقد تم تجميع الدائرة ، يمكن جمع البيانات لمعرفة ما إذا كانت تعمل! أرسل رسم قلب محاكى عبر الدائرة بسرعة 1 هرتز. يجب أن تكون النتيجة إشارة ECG نظيفة حيث يمكن رؤية مجمع QRS وموجة P وموجة T بوضوح. يجب أن يعرض معدل ضربات القلب أيضًا 60 نبضة في الدقيقة (نبضة في الدقيقة). لمزيد من اختبار الدائرة وإعداد LabVIEW ، قم بتغيير التردد إلى 1.5 هرتز و 0.5 هرتز. يجب أن يتغير معدل ضربات القلب إلى 90 نبضة في الدقيقة و 30 نبضة في الدقيقة على التوالي.

لعرض معدلات ضربات القلب الأبطأ بدقة ، قد تحتاج إلى ضبط إعدادات DAQ لإظهار المزيد من الموجات لكل رسم بياني. يمكن القيام بذلك عن طريق زيادة عدد العينات.

إذا اخترت اختبار الجهاز على الإنسان ، فتأكد من أن مصدر الطاقة الذي تستخدمه لمكبرات التشغيل يحد من التيار عند 0.015 مللي أمبير! هناك العديد من تكوينات الرصاص المقبولة ولكننا اخترنا وضع القطب الموجب على الكاحل الأيسر والإلكترود السالب على المعصم الأيمن والإلكترود الأرضي على الكاحل الأيمن كما هو موضح في الصورة المرفقة.

باستخدام بعض مفاهيم الدوائر الأساسية ومعرفتنا بقلب الإنسان ، أوضحنا لك كيفية إنشاء جهاز ممتع ومفيد. نأمل أن تكون قد استمتعت ببرنامجنا التعليمي!