Кардиограф своими руками

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 16.09.2024

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:

индикация включения питания;
индикация ЧСС П-образного выхода;
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.

Для сборки простого кардиографа нам понадобится микросхема AD8232 разработанная компанией Analog Devices. AD8232 представляет собой интегрированный блок обработки сигнала для ЭКГ и других биопотенциальных задач. Микросхема предназначена для получения, усиления и фильтрации слабых биопотенциальных сигналов в условиях сильных помех.

Основные характеристики AD8232:

Низкое потребление тока: 170 мкА
Напряжение питание: однополярное от 2 до 3,5 В
Rail to Rail выходной сигнал
Количество электродов: 2 или 3
Количество отведений ЭКГ: 1
Встроенный фильтр ВЧ помех
2-полюсный фильтр высоких частот
3-полюсный фильтр низких частот
Коэффициент ослабления синфазного сигнала: 80 дБ
Детектор контакта электродов
Выходной сигнал: аналоговый

На основе данной микросхемы в продаже присутствуют модули, удобные для изучения и использования, в комплект входит не только плата с AD8232 и обвязкой, но и набор электродов в зависимости от комплектации.

Для получения кардиограммы электроды прикрепляются на грудь и конечности (в зависимости от выбранного отведения), с которых снимаются сигналы электрической активности сердца.

Расположенные на теле пациента электроды обнаруживают небольшие изменения потенциалов на коже, которые возникают вследствие деполяризации сердечной мышцы при каждом ее сокращении.

Таким образом, на основе AD8232 можно строить портативные устройства для мониторинга за здоровьем сердечной системы (ЭКГ, кардиомониторы и др.). А кроме этого данная микросхема пригодна для использования получения данных о сокращениях других мышц, что потенциально дает возможность использовать ее в бионике и протезировании. В этом случае необходимо подключать электроды к мышцам, активность которых контролируется.

Выбирая микроконтроллеры STM32 для портативных устройств рационально использовать микроконтроллеры серии L с низким потреблением тока для увеличения времени работы от аккумулятора. В нашем случае для ознакомления используется STM32F1.

В основе схемы лежит микроконтроллер STM32F103C8T6, для индикации используется TFT LCD дисплей ILI9341 с интерфейсом SPI. Схема питается от 5 вольт (можно использовать Power Bank), до необходимого уровня напряжение питания понижается с помощью стабилизатора напряжения AMS1117 3v3 или любого другого стабилизатора напряжения с нужными параметрами. Кроме дисплея в качестве индикатора сердцебиения используется бузер со встроенным генератором. При появлении пика удара сердца на время этого пика включается бузер.

Программа микроконтроллера имеет два меню: основное меню, где на дисплее строится кардиограмма и отображается частота сердечных сокращений и меню настроек, где можно задать коэффициенты для отображения кардиограммы по высоте и по ширине, а также задать порог счета сердечных сокращений. Последний параметр задается относительно окна кардиограммы от 0 до 200 – это порог, в который входят только пики ударов сердца. Настройки сохраняются в flash памяти микроконтроллера. Для надежности используется последняя страница памяти, чтобы наверняка не пересекать память, в которую записана программа микроконтроллера. Для управления меню используется три кнопки S2-S4. Кнопка S2 переключает меню, а кнопки S3 и S4 регулируют настройки. Значения настроек здесь достаточно абстрактны и привязаны к коду. Первая настройка задает время задержки между измерениями АЦП и построением графика, то есть чем больше задержка, тем больше времени нужно на заполнение экрана и тем более сжат график. Вторая настройка задает коэффициент, который делит измеренное значение АЦП – при максимальном значении 4095 делим на 20 и получаем 204,75, то есть практически весь размах значений мы укладываем в 200 пикселей экрана, отведенного под график. Изменением этого коэффициента можно увеличивать или уменьшать график по оси Y. Последняя настройка задает порог с учетом второй настройки для определения пика. Выходя за это значение программа понимает когда произошел удар сердца. Между Этими пиками фиксируется время, по которому рассчитывается частота сердечных сокращений.

В программе присутствует визуализация отклонения ЧСС (частоты сердечных сокращений), если она слишком маленькая или слишком большая график ЭКГ на дисплее начинает отрисовываться красным цветом. Модуль MOD1 это рассматриваемый модуль на основе AD8232. Частота сердечных сокращений вычисляется как среднее значение пяти последних измерений.

Три электрода, входящих в комплект, подключаются к модулю через разъем и сами электроды крепятся на теле человека. В моем случае желтый электрод соответствует RL (правая нога), красный RA (правая рука), зеленый LA (левая рука). Так же соответственно электроды крепятся и на груди. Эти контакты электродов на модуле так же продублированы в виде контактов, к которым можно подключать свои провода с электродами. При использовании проводов из комплекта обязательно стоит прозвонить контакты, чтобы убедиться, что они соответствуют цветам, что не всегда встречается. Круглые электроды, которые входят в комплект являются одноразовыми. После их использование клейкость резко ухудшается, а гель в середине для получения надежного контакта с кожей высыхает. После первых экспериментов не стоит спешить их выбрасывать, для продолжения экспериментов достаточно смочить гель водой (я воду немного подсаливал), тогда он станет снова вязким, клейким и токопроводящим. Такие электроды самые дешевые и простые, при желании можно найти в продаже многоразовые электроды без клейких элементов, работающие как присоски. Но даже в этом случае нужно использовать специальный гель для надежного контакта электрода с кожей. Самым простым вариантом электрода может быть металлическая пластинка или шайба (монета), смоченная в соленой воде, подключенная к модулю AD8232. Такой вариант электрода максимально бюджетный и не сгодится для продолжительного использования – при высыхании воды контакт начнет ухудшаться, что приведет к ухудшению результатов измерения.

Модуль AD8232 имеет детектор подключения электродов – контакты L+ и L- выдают логическую единиц, если электроды не подключены и логический ноль, если подключены. На экране дисплея это отображается символами L+ и L-. Если их цвет зеленый, значит электроды подключены, если красный – отключены. Наличие шума на графике ЭКГ может быть связано с такими нюансами как контакт электродов и их верное расположение на теле, наличие дефектов в проводах электродов и их повреждение. В отличии от оптических датчиков, движения тела при измерении дают намного меньшие искажения графика на экране, но все же дают, так как при движении напряжения других мышц тела, расположенных близко к электроду, также дают некоторые импульсы.

Данная схема не исключает использования других датчиков с аналоговым выходом, например, затрагиваемых ранее оптических датчиков. Достаточно выводы PA1 и PA2 микроконтроллера подключить к земле или питанию, чтобы символы на дисплее не моргали.

P.S. Данное устройство не может быть применено для самостоятельно диагностики, только квалифицированный врач может делать какие-либо заключения о здоровье. Данное устройство создавалось только в познавательных и ознакомительных целях.

В данном проекте мы создадим портативный электрокардиограф и монитор частоты сердечных сокращений. Разумеется, устройство можно использовать в медицинских целях.

ПРИМИТЕ ВО ВНИМАНИЕ: Во избежание опасности поражения электрическим током, используйте только источник батарейного питания. Электроды изолированы от общей схемы с помощью измерительного усилителя, однако все равно соблюдайте крайнюю осторожность. Создатель устройства не несет ответственность за возможные несчастные случаи.

Схема устройства очень простая, ее можно разместить на односторонней плате.

Шаг 1: Список компонентов

— (1) Измерительный усилитель INA128
— (1) Операционный усилитель серии 741
— (1) Микроконтроллер Arduino Uno
— (1) ЖК-дисплей 16x2
— (1) Стабилизатор 7805
— (1) Мини-динамик сопротивлением 8 Ом
— (1) Ультраяркий светодиод (В проекте используется 10 мм светодиод)
— (1) Диод 1N3064
— (2) 9В батарея с коннекторами
— Макетная плата
— Проволочные перемычки

Резисторы:
— (2) 100 Ом, 1/4 Вт
— (1) 470 Ом, 1/4 Вт
— (1) 1 кОм, 1/4 Вт
— (2) 10 кОм, 1/4 Вт
— (2) 100 кОм, 1/4 Вт
— (1) 1 МОм, 1/4 Вт

Конденсаторы:
— (1) 10 нФ
— (1) 47 нФ

Для электродов:
— Один метр провода
— Антистатический браслет
— Медицинский пластырь
— Фольга
— (2) скребки
— Гель для душа (как замена для геля для снятия электрокардиограмм)

Опциональный компонент:
-Осциллограф, для отображения ЭКГ.

Шаг 2: Создание схемы

Ниже представлено схемное решение данного проекта. Два электрода подключаются к входам 2 и 3 измерительного усилителя INA128. Дополнительный электрод сравнения (антистатический браслет, размещается на вашей правой ноге) подключается к земле. Это позволит использовать в проекте неэкранированный кабель.

Наилучший сигнал снимается после фильтра нижних частот (между двумя резисторами величиной 100 кОм). Я предполагаю в этой точке подключать щуп осциллографа для демонстрации картинки, хотя осциллограф можно использовать и для проверки других контрольных точек.

Шаг 3: Загрузка программного кода в Arduino
Загрузите прикрепленные файлы на ваш компьютер, откройте в среде разработки arduino IDE, подключите ваш arduino, и загрузите скетч!

Шаг 4: Изготовление электродов

Надежно прикрепите две скребки на кончики пары оголенных проводников. Отрежьте кусочки фольги требуемого размера и прикрепите к скребкам. У вас должно получиться так, как показано на фото. Вы можете поэкспериментировать с конструкцией для получения наилучших результатов.
Когда все готово, нанесите некоторые количество геля на электроды и используйте медицинский пластырь для надежного прикрепления к грудной клетке.

Шаг 5: Размещение электродов и проверка работоспособности устройства!

Наденьте антистатический браслет на правую ногу и подключите к заземлению.

Поместите электроды на грудную клетку и разместите так, чтобы получить наилучший сигнал. Это займет некоторое время, из-за флуктуации электрического соединения.

В качестве эксперимента можно помещать электроды в различные места тела, чтобы получить другой сигнал. Профессиональные электрокардиографы используют 10 электродов для создания карты сигналов. На фото видно приблизительное расположение электродов. Данная конфигурация работает безукоризненно, поскольку я выбрал вентрикулярные всплески для измерения частоты.

Также вы можете увидеть шумовые сигналы, вызванные движением мышц, поскольку электроды улавливают подобные сигналы. Если вы хотите избавиться от подобных сигналов, тогда не шевелитесь!

В 2017 году перенес "инфаркт миокарда".
Спасло то, что вызвал скорую ночью, не стал "ждать до утра", кардиографа тогда не было, просто сильно болело в груди.
Врачи сказали, что до утра бы не дожил.
(Это я про рулетку, жизненный опыт и т.д.)

но. со своим сердцем я бы так шутить не стал.
стабильность показаний основное условие работы.
ибо не хочу играть в рулетку со своим здоровьем.
а уж с сердцем и подавно.

То есть имея информацию о работе сердца - вы шутите и играете в рулетку.
А не имея никакой информации- живете спокойно.
У вас с логикой всё нормально?

для доктора информация даже из другой больницы ничего не значит
что из результаты (из другой клиники) для них почти ничего не значат.

Первое, что спрашивают у меня врачи скорой, приехавшей ко мне и сняв новую кардиограмму:
" Покажите какую ни будь старую кардиограмму"

Опасно, когда не было и появилось - т.е. есть ухудшение. А вот это как раз анализировать и поможет домашний кардиограф - в больницу делать не набегаешься. Если есть проблемы с сердцем - делаешь себе кардиограммы хоть каждый день,

Вот здравое понимание ситуации!

Я даже знаю, как в той книге. один из персонажей почитал медицинскую энциклопедию и нашел у себя все болезни,

Не судите по себе, или по любимому персонажу.
На форуме достаточно умных людей, способных разобраться в куске синусоиды
================
Тем временем кардиограф практически готов.
Надеюсь сегодня все закончить и выложить результаты

На форуме достаточно умных людей, способных разобраться в куске синусоиды
Надеюсь сегодня все закончить и выложить результаты

информацию о работе сердца можно получить по самочуствию или специально для этого сделанными медицинскими приборами.

В 2017 году перенес "инфаркт миокарда".
Спасло то, что вызвал скорую ночью, не стал "ждать до утра", кардиографа тогда не было, просто сильно болело в груди.
Врачи сказали, что до утра бы не дожил.

а теперь прикиньте, был бы у Вас этот прибор. что бы он изменил?
болит-скорая. и только так и никакой самодеятельности.
впрочем-дело Ваше.
удачи и здоровья!

Вы наверное видели сколько отведений(синусоид по вашему) у настоящего ЕКГ- их 10 (4 на конечности и 6 грудных), при ошибочной установке грудного бывает врачи фиксируют инфаркт.

Я не призываю отказаться от посещения врача, но домашний кардиограф у человека, у которого проблемы с сердцем - вещь нужная!
Кстати на кардиограмме увидеть инфаркт очень просто даже при относительно низкой врачебной квалификации.

Ну вот что получилось.
Присланный девайс состоит из трех датчиков на каком то липком( не мажется!) типа силикона клее.
.

.
Собранная плата, без питания, требует 3,3 вольта.
Я воспользовался двумя пальчиковыми батарейками( в корпусе,с выключателем).
.

.
Ну и осцилограф (кому какой достался)
.

.
Всё сразу заработало, подбираешь развертку и амплитуду и получаешь вот такое:
.

.
Для сравнения выкладываю мои старые кардиограммы из больниц.
То, что нужно, обвел красным
.

.
Прилагаю учебный рисунок кардиограмм инфаркта миокарда, с различной степенью поражения
Самый нижний рисунок это норма.
.

Только это должен быть прибор, прошедший на этапе создания и изготовления хоть какую-то МЕДИЦИНСКУЮ апробацию (аттестацию etc). Китайцы молодцы, но тупо им доверять.
Типичный пример: брал как-то маленькие цифровые шкалы (вольметры) для ИП - в партии из 20 шт. разброс показаний на уровне 10В до 0,5 В в обе стороны.

Ну да.
Потому и храню у себя десяток за последние пять лет.
Только даже не всякий фельдшер из скорой их сможет осознать.

А профессиональный кардиограф (прибор, не человек) для профессионального кардиолога
выдаёт примерно такое заключение (кроме собственно сигнала с десятка датчиков):
______________________________________________________________________

Добрый день! Сергей, тема интересная, но есть даже не одно, а несколько но. ЭКГ аппараты, используемые на скорой ( и не только), обязательно сертифицированы и раз в год проверяются. Цена их колеблется 0т 100 и более тысяч.Это делается для исключения малейших нюансов при снятии ЭКГ. Одна ненужная чёрточка или штришок может перевернуть картину, и результат будет плачевный.В наших кругах ( я врач скорой с сорокалетним стажем)говорят, ЭКГ, это только дополнительный метод обследования, а основной-это анализ клинической картины. И всё же удачи Вам, дело интересное и благое. 73 ! Александр R1QA

Так. Не удержался))) Не уверен, что на все отвечу, но по тому, что прозвучало в теме - попробую.
Во-первых, все тут представленное в железе не кардиографы, а кардиоскопы. Думаю, для людей с техническим мышлением разница понятна. Кардиографом любой такой прибор становится только в случае возможности графического отображения. Причем, в записи на стандартной скорости и совпадением других общепринятых мировых стандартов.
Второе. Лет еще 30 назад на какой-то выставке медоборудования демонстрировался прибор в связке с ноутбуком. Меня мало интересовал он именно как кардиограф, но когда-то мы столкнулись с проблемой фиксации быстрых биологических процессов и рассматривали кардиограф как вариант решения. Вот и задал вопрос представителям, типа - что новенького? Оказалось - дубы раскидистые, понятия ни о чем не имели, демонстраторы. В частности, интересовали вопросы помехозащищенности, входного сопротивления и баланса нуля. Но факт - программы есть, как работают - другое дело.
Третье. Не синусойда, но двухмерное отображение более сложного объемного биофизического процесса.
Четвертое. Кардиологи ставят диагноз не по одному-двум отведениям, как тут демонстрировалось. Отведений несколько. Только однополюсных V - 9 штук.
Пятое. При платной медицине (не СССР) медучреждение заинтересовано в доходах. Оттого и повторят анализы. Ну, все хотят кушать))) Хотя вот в принципе смысл в повторении есть - когда смотришь динамику процесса.
Ну и т.д.

Читайте также: