Эмулятор сигналов кардиографа
Microchip 2N7000
Михаил Шустов — г. Томск
Приведена схема формирователя электрических сигналов, эмулирующего сигналы кардиографа на экране осциллографа и позволяющего имитировать различные состояния работы сердца в норме и патологии.
Эмулятор сигналов кардиографа позволяет визуально наблюдать на экране осциллографа изображение импульсов, напоминающих сигнал, получаемый на кардиографе.
Устройство, Рисунок 1, содержит трехкаскадный генератор импульсов, выполненный на полевых транзисторах VT1–VT3 2N7000 с использованием времязадающих RC-цепочек, подключенных к стокам транзисторов. Первый каскад генератора в цепи истока содержит колебательный контур R6L1C5 и резистивную нагрузку – потенциометр R9. Остальные каскады генератора в цепях истоков имеет резистивные нагрузки R7 и R8, а также регулировочные элементы – потенциометры R11 и R13.
 | ||
| Рисунок 1. | Электрическая схема эмулятора сигналов кардиографа. | |
Сигналы с потенциометров R9, R11 и R13 подаются через резисторы R10, R12 и R14 на суммирующий резистор нагрузки R15. Регулировка этих потенциометров позволяет варьировать вид «кардиограммы» на разных ее участках. Внешний вид синтезируемой «кардиограммы», получаемый после настройки элементов схемы, показан на Рисунке 2.
Эмулятор сигналов кардиографа имеет также элемент регулировки напряжения питания устройства, выполненный на потенциометре R1. Этот элемент позволяет плавно изменять амплитуду «кардиосигнала» и приглушать амплитуду всплесков импульсов, наблюдаемых за пределами основного остроконечного пика.
 | ||
| Рисунок 2. | Электрические сигналы на выходе эмулятора. | |
Кнопка SB1 позволяет принудительно запускать «кардиостимулятор» при пониженном напряжении питания или имитировать электроимпульсное воздействие дефибриллятора, чтобы обеспечить сокращение миокарда для восстановления деятельности остановившегося сердца.
Формирование основного остроконечного пика «кардиосигнала» обусловлено переходными процессами, возникающими в RLC-цепи колебательного контура. Регулировка предшествующих и последующих колебаний малой амплитуды осуществляется потенциометрами R11 и R13, с помощью которых можно избирательно перестраивать вид «кардиосигнала» для имитации различного рода патологий.
Недостатком устройства является то, что эмулятор сигналов кардиографа работает на частоте порядка 1.3 кГц, что не позволяет сопровождать демонстрацию работы прибора синхронной звуковой индикацией «ударов» человеческого сердца с частотой порядка 1…2 Гц. Для работы устройства на таких частотах следует понизить рабочую частоту генератора на три порядка, что невыполнимо при малогабаритных элементах колебательного контура.
Источник
Устройство для снятия кардиограммы
Из этой статьи мы с вами узнаем, как можно самостоятельно собрать аппарат ЭКГ. Это устройство имеет встроенный дисплей, на котором отображаются отдельные сердечные сокращения в большом формате, последовательность сердечных сокращений в маленьком формате и график Пуанкаре.
Аппарат работает от аккумулятора, и он достаточно компактный. Он построен на на нескольких базовых деталях модуле AD8232, Arduino Nano и 2,8-дюймового TFT-дисплея.
Шаг второй: модуль AD8232
Чип AD8232 — это датчик сердечного ритма. Микросхема AD8232 содержит высококачественный малошумящий измерительный усилитель и систему формирования сигнала для удаления шума. Он предназначен в первую очередь для записи ЭКГ.
Сначала мастер собирает схему на макетной плате, как на фото ниже.
AD8232 включает в себя функцию «обнаружения отключения проводов». Если один из выводов отсоединен, контакты LO + или LO- модуля переходят в высокий уровень. Для первоначального тестирования мастер подключил выводы LO + и LO- к двум светодиодам через резисторы 1 кОм. Светодиоды загораются при отключении провода. Для последней схемы нужно удалить светодиоды и подключить LO + и LO- к Arduino.
Дальше загружает скетч ArdECG0.ino на компьютер и затем в Nano.
В приобретенном мастером модуле выводы электродов окрашены в следующие цвета:
LA левая рука: Зеленый
Правая рука Ra: Красный
Правая Нога: Желтый
В комплекте с модулем идет всего 3 электрода. Они быстро израсходуются, и мастер решил сделать электроды самостоятельно. Сделать их можно из медной пластины или монеты.
В качестве состава, которым покрывают кожу перед установкой электродов, он использовал смесь шампуни и соли. Электроды приклеивает к коже лейкопластырем.
Электроды устанавливаются, как на рисунке:
LA слева от груди под ключицей
РА с правой стороны груди ниже ключицы
RL внизу подальше от сердца
Электрод RL называется «правая нога», но на самом деле он не обязательно должен находиться на ноге, но нужно стараться размещать его не на мышцах.
Код можно скачать ниже.
ArdECG0.ino
Шаг третий: сердце
Врачи считают сердце сложным органом, но для разработчика электроники это просто генератор электрических сигналов — несколько десятков милливольт.
Синоатриальный узел (узел SA) действует как осциллятор, генерирующий импульс примерно каждую секунду. В электронном виде это релаксационный осциллятор (или осциллятор Ван дер Поля).
Сокращение пульса медленно распространяется к мышцам предсердий и атриовентрикулярному узлу (AV-узлу). Мышцы предсердий сокращаются, а затем расслабляются. Когда они сокращаются, они перекачивают кровь в желудочки. Когда они расслабляются, предсердия закачивает кровь из тела или из легких.
Узел AV задерживает импульс (на 120-200 мс), а затем отправляет его мышцам желудочков. В электронном виде это тоже релаксационный осциллятор, но его период намного больше, чем у SA-осциллятора.
Мышцы желудочков сокращаются, а затем расслабляются. Когда они сокращаются, они перекачивают кровь к телу или легким.
Весь процесс занимает около 500 мс.
Для перекачивания крови по телу требуется много энергии, поэтому самый большой сигнал исходит от мышц левого желудочка.
Ионы натрия, калия и кальция перекачиваются через мембраны клеток сердечной мышцы. Когда сердечная мышца расслаблена, разница в концентрациях ионов вызывает разность потенциалов 90 мВ.
Когда в клетке возникает потенциал действия, активируется соседняя клетка. Таким образом, потенциал действия распространяется через мышцу, а также через волокна Пуркинье.
Проводимость мышечных клеток составляет 0,3–0,4 м / с.
Проводимость волокна Пуркинье составляет 2–3 м / с.
Нормальная проводимость нейронов 70-120 м / с.
Волокна Пуркинье могут колебаться сами по себе со скоростью 20-40 ударов в минуту и поэтому действуют как резервная система, если генераторы SA и AV выходят из строя.
ЭКГ регистрирует потенциалы действия различных мышц. Потенциалы действия мышц передаются через грудную стенку и кожу посредством простой электрической проводимости. К тому времени, когда он достигает кожи, сигнал составляет около 1 мВ.
Поскольку разные потенциалы действия возникают в разных областях сердца, перемещая электроды ЭКГ, можно записывать активность в разных мышцах.
Шаг четвертый: дисплей
Дисплей представляет собой 2,8-дюймовый цветной TFT ЖК-экран с контроллером ILI9341, 320×240 пикселей.
ЖК-дисплей имеет следующие контакты:
VCC 5V
GND ground
CS LCD chip select
RESET reset
DC data/command
MOSI SPI bus MOSI of Arduino
SCK SPI bus SCLK
LED back light
MISO SPI data out of LCD (ignored)
T_CLK SPI bus SCLK (ignored)
T_CS touch chip select (ignored)
T_DIN MOSI of Arduino (ignored)
T_DO SPI data out of touch (ignored)
T_IRQ touch interrupt request (ignored)
В дисплей встроен регулятор 3V3. Таким образом, модуль может питаться от 5 В, и можно его подключить напрямую к 5-вольтовому выводу Arduino. Вывод питания светодиода также может быть подключен напрямую к выводу 5V.
Логические выводы дисплея требуют сигналов 3,3 В. Их нельзя подключать напрямую к 5-вольтовым контактам ввода-вывода Arduino. Чтобы понизить напряжение нужно установить резисторы.
Для работы дисплея нужно загрузить эскиз ArdECG1.ino.
Нужно поместить все файлы ниже в одну папку:
ArdECG1.ino
SimpleILI9341.h
SimpleILI9341.cpp
Шаг шестой: сборка
После проверки работы устройства на макетной плате мастер приступил к монтажу и сборки устройства.
Модуль AD8232 крепится к задней части дисплея с помощью двустороннего скотча. Nano удерживается между двумя платами с помощью припаянных перемычек. Вся сборка довольно компактная и прочная.
Корпус мастер сделал из полистирола.
Экранирование немного влияет на уровень шума, поэтому он выложил заднюю часть коробки кухонной пленкой.
Общее потребление тока составляет около 127 мА. Задача была, чтобы устройство работало в автономном режиме в течение 8 часов. Значит, нужен источник питания емкостью около 1000 мАч.
Сначала мастер хотел установить четыре аккумулятора AA.
Ячейки AA — хороший выбор, но проблема их размер. Тогда мастер решил установить один литий-ионный аккумулятор емкостью 1000 мАч.
С помощью переключателя выполняется выбор между работой и зарядкой.
Источник
Самодельный простой электрокардиограф (ЭКГ)
LTC1044
В данной статье рассматривается простое устройство мониторинга сердца, ЭКГ электрокардиограф. Прежде чем я продолжу объяснения, мне необходимо вас предупредить ! 500 мА на 220 В полностью разрушат вашу нервную систему (лучше воспользоваться аккумулятором), поэтому проверьте все дважды, так как ответственность за нежелательные результаты будет лежать именно на вас.
Деполяризованное поле в сердце представляет собой вектор, который меняет направление и величину в течение сердечного цикла. Размещение электродов на пациенте позволяет получить вид данного вектора как функцию времени. Наиболее часто используемая схема размещения электродов показана на рис. 1. На рисунке разность потенциалов измеряется между левой и правой рукой, правой рукой и левой ногой, левой рукой и правой ногой. Три данных измерения от датчиков привязаны к указателям I, II, III соответственно. Измерение при таком размещении датчиков было разработано Айнтховеном, который установил, что при наличии измерений I и II, можно вычислить вид сигнала при измерении III. Это основной вариант размещения датчиков ЭКГ: при наличии различных характеристик сердца можно получить его деполяризацию. В клинике в диапазон схем размещения датчиков включены датчики на конечностях и нагрудные.
Рис. 1
Следовательно, диаграмма ЭКГ демонстрирует врачу электрические сигналы, связанные с работой предсердия и желудочков. Благодаря ЭКГ врач может определить время сжатия предсердия и желудочков и оценить его амплитуду, а также желудочковую реполяризацию и деполяризацию. Такая информация позволяет выявить состояние сердечного клапана. У пациента после инфаркта ЭКГ покажет изменения диаграммы по форме и времени, в зависимости от скорости похождения сигнала через мускульную ткань. Такие изменения ишемического мускула связаны с инфарктом.
Рис. 2, Диаграмма связи
Сигнал от тела усиливается (сигналы от тела очень слабые и находятся в диапазоне от 0.5 мВ до 5.0 мВ), фильтруется (удаляется шум), преобразуется (имеется в виду преобразование аналогового сигнала в цифровой посредством ADC) и затем передается компьютеру по интерфейсу RS232 (беспроводным способом или как-то иначе, но данный интерфейс был выбран из-за простоты изготовления). Первые два шага показаны на рисунке 3.
Рис. 3, ЭКГ схема
Усилители, которые используются в биомедицине для работы с сигналами, имеющими очень небольшие колебания напряжения вместе с напряжением смещения, называются инструментальными операционными усилителями. Инструментальные усилители имеют высокую CMRR (высокая степень подавления синфазных помех), что означает способность к дифференциальному усилению сигнала на входах + и — . Самыми известными производителями инструментальных усилителей являются Texas Instruments и Analog Devices. Я использовал усилители производства второй компании, Analog Devices. AD620, инструментальный усилитель, и OP97, высокоточный операционный усилитель. Так как данным усилителям необходимо подавать на вход отрицательное напряжение, то оно было получено с помощью линейного устройства LTC1044, коммутируемого конденсаторного преобразователя напряжения, рис. 4. Подаваемое напряжение составляло 5 В. Схема показана на рисунке 5 и взята из описания, где есть более подробные объяснения.
Рис. 4. LTC1044, генератор отрицательного напряжения
Рис. 5, схема ЭКГ
Шум возникает при сжатии мускула, интерференции 50-60 Гц линии питания, от контакта электрода, от других электронных устройств и т.д. Фильтр для приложения ЭКГ должен быть полосовым фильтром (ограничивающим сигнал сверху и снизу). Фильтр должен работать в диапазоне от 0.5 Гц до 50 Гц. Я сделал простые фильтры — RC высокочастотный и низкочастотный — подключив их последовательно (просто два конденсатора и резистора).
Рис. 6, Сигнал ЭКГ
Я использовал внутренний конвертер ADC в Atmel MCU, ATMega8. Код здесь.
Чтобы увидеть ЭКГ сердца, я воспользовался программой LABView.
Рис. 7. Результаты ЭКГ в программе LABView (нажмите на изображение для увеличения)
Рис. 8, Результаты ЭКГ в программе LABView (нажмите на изображение для увеличения)
Рис. 9, Я с электродами
Рис. 10, Плата ЭКГ, которую я сделал сам, вид спереди
Источник