Генератор для проверки кардиографов

Схема и техописание самодельного прибора для проверки кардиографов — кардиоимитатора (кардиогенератора, генератора ЭКГ сигналов)

Прибор был собран из подручных материалов в 2000 году, оказался очень полезен для проверки и калибровки кардиографов как в условиях мастерской, так и на выезде.

При включении тумблера на выходах генерируется сигнал, отдаленно напоминающий кардиосигнал, амлитуда которого калибрована (10 мм/мВ) на отведении, которое выбрано переключателем, на остальных отведениях при этом амплитуда 5, 0, или -5 мм/мВ. В положении переключателя «V» сигнал с амплитудой 10 мм/мВ генерируется на всех 6-ти грудных отведениях. В положении тумблера вниз (выключено) сигнал с калиброванной амплитудой на выбранное переключателем отведение можно подавать нажатием кнопки. Таким образом есть возможность непрерывной генерации и ручной подачи сигнала.

Устройство питается от одного пальчикового Ni-MH или Ni-Cd аккумулятора, или батарейки, которой хватает примерно на год работы. Для упрощения схемы все грудные отведения запараллелены. Налаживание сводится к подбору амплитуды выходного сигнала (по образцовому кардиографу) с помощью подстроечного резистора. Еще можно упростить схему так, чтобы выходной сигнал был чисто прямоугольный, или наоборот модернизировать формирователь для более точной имитации. На практике оказалось вполне достаточно прямоугольного сигнала.

Была идея еще сделать более совершенный прибор на 561 КМОП серии с генерацией чистого калиброванного прямоугольника по нескольким программам, но ввиду отсутствия времени идея реализована не была. Поэтому, кто может сделать лучше – делайте и делитесь опытом.

Источник

Генератор кардиосигнала (симулятор ЭКГ для проверки кардиографов, кардиогенератор, имитатор ЭКГ)

Генератор кардиосигнала (имитатор ЭКГ) предназначен для проверки и ремонта кардиографов, мониторов Холтера и кардиоблоков реанимационных мониторов и дефибрилляторов. Генератор ЭКГ сигнала — портативный прибор с питанием от встроенного литиевого аккумулятора.
Имеется возможность подключать кабеля со штекерами 4 мм с пружиной (banana), DIN3.0 (Pro версия) и контактами типа «кнопка» или «зажим».
Прибор для проверки кардиографов генерирует сигналы прямоугольной формы с длительностью импульса = длительности паузы (скважность = 2), и сигнал, имитирующий работу сердца (кардиоподобный сигнал).

Прибор может быть использован для:
1. Проверки амплитуды записи со всех отведений. Для этого на выбранную группу отведений подается П-образный сигнал амплитудой 1 мВ и частотой 1 Гц (60 уд/мин) или 2 Гц (120 уд/мин).
2. Проверки общей функциональности электрокардиографов, а также для имитации больного при проверке стресс-систем. Генератор ЭКГ формирует кардиоподобный сигнал частотой 1 Гц (60 уд/мин) по всем отведениям одновременно.

Рис. 1 Внешний вид генератора кардиосигнала (имитатора ЭКГ).

Основные характеристики прибора для проверки кардиографов (генератора кардиосигнала):
Сигнал прямоугольной формы амплитудой 1.0 мВ, и частотой 1 Гц (60 уд/мин) и 2 Гц (120 уд/мин).
Сигнал, имитирующий работу сердца, имеет ненормированную амплитуду (порядка 1.0 мВ) и частоту 1 Гц (60 уд/мин).
Режимы выхода — сигнал на выбранную группу отведений или сигнал одновременно по всем отведениям.
Частота сигнала стабилизирована кварцем, амплитуда — встроенным стабилизатором напряжения.
Имитатор ЭКГ портативный, питается от встроенного литий — полимерного аккумулятора.
Зарядка производится через разъем mini-USB.
Время полной зарядки встроенного аккумулятора составляет 2,5-3 часа.
Процесс зарядки контролируется встроенным контроллером, перезарядка исключена. Состояние зарядки контролируется светодиодом.
Полной зарядки аккумулятора хватает не менее, чем на 48 часов непрерывной работы генератора кардиосигнала.
Габариты прибора: длина 133 мм, ширина 80 мм, высота 54 мм.
Режим работы — может работать круглосуточно без перерывов.
Вес генератора кардиосигнала без принадлежностей 170 гр.
Рабочий диапазон температур 0 — +50 град. С
Диапазон температур хранения -40 — +50 град. С

Рис. 2 Форма сигнала в режиме генерации кардиоподобного сигнала (имитатора ЭКГ).

Простой малогабаритный прибор для проверки кардиографов (генератор кардиосигнала) без микроконтроллера и ПЗУ (прототип).

При разработке генератора кардиосигнала (прибора для проверки кардиографов) ставилась задача обеспечить приемлемые эксплуатационные характеристики при максимальной простоте и надежности конструкции. Как показала многолетняя практика, прибор должен быть портативным (малогабаритным, легким), питаться от встроенного аккумулятора и иметь контакты для подключения как кардиографов, так и кардиомониторов. Для большинства практических случаев хватает прямоугольного выходного сигнала с несколькими фиксированными значениями амплитуды и частоты. Для простоты повторения конструкции мы решили обойтись без микроконтроллера. Как показала в последствии практика эксплуатации, генерируемая микроконтроллером серия сигналов, качественно имитирующих сигналы сердца, необходима лишь для проверки автоматической постановки диагноза кардиографами, да и демонстрации работы клиенту. А, например, для проверки комплексов стресс-теста вполне достаточно сигнала, генерируемого предлагаемым имитатором ЭКГ.

Исходя из этих требований была разработана и опробована схема генератора кардиосигнала (имитатора ЭКГ) версии 1.0 (прототип), изображенная на Рис. 3. Здесь и далее при скачивании рисунки будут иметь исходный размер.

Рис. 3 Схема прототипа (версии 1.0) простого генератора кардиосигнала.

Основные характеристики прибора для проверки кардиографов:

• Схема обеспечивает амплитуду выходного сигнала 1 мВ.
• ЧСС (частота сердечных сокращений) переключается только в режиме П-образных импульсов 1 Гц (60 уд/мин) и 2 Гц (120 уд/мин).
• В режиме имитации (генерирование кардиоподобного сигнала Рис. 2) частота фиксированная 1 Гц (60 уд/мин).
• Время полной зарядки аккумулятора составляет 2,5-3 часа.
• Время непрерывной работы генератора — до 48 часов.

Рис. 4 Структурная схема генератора кардиосигнала.

Для сведения потребления энергии к минимуму применены КМОП микросхемы. Кварцевый генератор и делитель собраны на элементах D1, Z1, R10, R11, C10, C11. Чтобы улучшить эксплуатационные характеристики, в схему был введен простой формирователь кардиосигнала на 1-й микросхеме D2. Для простоты переключение ЧСС выполнено только для П-образного сигнала. Светодиод HL3 единственный, из светодиодов, питающийся от аккумуляторной батареи и является самым потребляемым ток элементом. Поэтому на него подается не постоянный ток, а П-образные импульсы, что позволило сократить его энергопотребление вдвое и обеспечило контроль максимального количества функций:

1. индикация включения питания;
2. индикация ЧСС П-образного выхода;
3. индикация работоспособности кварцевого генератора и делителя частоты.

Переменными сопротивлениями R17 и R19 регулируется выходная амплитуда сигнала в режиме соответственно имитатора и в режиме П-образных импульсов.
Для простоты конструкции и в то же время чтобы обеспечить селекцию сигнала по разным отведениям (для локализации неисправного отведения) был применен механический переключатель S4. Резисторы R24 — R33 являются примерно сопоставимыми с сопротивлением тела человека. С ними по искажениям записи выявляются такие неисправности, как утечки на экран в кабелях отведений и в защитных диодах входных цепей кардиографов и кардиомониторов. Схема питания генератора кардиосигнала представлена на Рис. 5.

Рис. 5 Схема питания генератора кардиосигнала.

Схема питается от литий — полимерного 1-элементного аккумулятора 200 мА/ч рабочим напряжением 3,7 В через стабилизатор напряжения на микросхеме IC2, на выходе которого получается напряжение 3,3 В. Схема на IC3, T1, R5 — R7 служит для предотвращения включения микросхемы IC2 в случае падения напряжения на аккумуляторе ниже 3,4 В, что предотвращает переразряд аккумулятора и его преждевременную потерю емкости, а также несоответствие выходных напряжений генератора кардиосигнала из-за падения напряжения +3,3 В.
Применение литий — полимерного аккумулятора потребовало введения в схему контроллера его заряда и состояния на микросхеме IC1, резисторах R3 и R4. Цепь D1, R1 нужна для предотвращения выхода из строя микросхемы IC1 в случае использования нескольких зарядных с разными характеристиками. Если же планируется использовать рекомендуемое зарядное для мобильных телефонов Nokia старого образца (тип ACP-7E 3.7V 355mA 1.3VA), или заряжать от USB, то эту цепь можно опустить. Приведенная ниже печатная плата разведена под разъем для зарядного к мобильникам Nokia тип ACP-7E 3.7V 355mA 1.3VA (старый вариант).

Генератор кардиосигнала (имитатор ЭКГ) собран на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита размером 70 х 50 мм (Рис. 6). Полукруглый вырез служит для размещения переключателя отведений S3.

Рис. 6 Печатная плата генератора кардиосигнала (имитатора ЭКГ).

Правильно собранная схема будет работать сразу же после подачи питания, но для получения соответствия всех характеристик необходимо провести несложную наладку.
Налаживание схемы прибора питания сводится к подбору резистора R5, чтобы при включении питания выключателем S3 напряжение питания +3,3 В появлялось только если напряжение на аккумуляторе больше или равно 3,4 В.
Подстроечными резисторами R17 и R19 добиваемся заданной амплитуды напряжения на выходах генератора кардиосигнала.

Источник

Эмулятор сигналов кардиографа

Microchip 2N7000

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.

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.

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