Basit Bir EKG Nasıl Yapılır?

Merhabalar,

           Bu yazımda basit bir EKG cihazında olması gerekenlerden ve genel olarak EKG sisteminden bahsedeceğim. Öncelik olarak bu projeyi almışsanız yada yapma gibi bir düşünceniz var ise, "İnsan vücudundan EKG sinyali nasıl elde edilir?" sorusuna yanıt için araştırma yapmanızı tavsiye ederim. Sistem tasarımına direk girmeden önce o sistemi iyi bilmek gerekir. Bu yüzden mutlaka araştırma yapmalısınız. En detaydan girmek yerine daha üst seviye teknik anlamda sizlere bahsedeceğim. 

Sırası ile adım adım ilerlemeye başlayabiliriz.. 

1) Vücuttan EKG Sinyalini Algılama (Elektrot)

            Vücutta üretilen EKG siyali elektriksel bir sinyaldir. Bu sebeple elektrotlar vasıtası ile vücuttan ölçülebilirler. Günlük yaşantımızda birçok farklı boyutta ve renkte elektrot çeşitleri bulunmaktadır. Bu elektrodlar insan vücudunda kullanım yerlerine göre farklılık gösterir. Küçük çocuklar için boyut açısından daha küçük elektrotlar kullanılır. Ayrıca göze hitap etmesi içinde farklı renkte elektrotlar mevcuttur. Elektrotlar vücuda direk olarak yapıştırılabilirler ya da tutturulabilirler. Elektrot konusunda dikkat edilmesi gereken bazı unsurlar mevcut. İlk olarak almış olduğunuz elektrot kaliteli bir marka olmalı. Ayrıca AgCI bileşeni olmasınada dikkat etmelisiniz. Bu iki temel neden EKG sinyalinin vücuttan kolay alınması için gerekli olan en önemli nedenlerdir. Bir sonraki etken ise elektrot yapıştırılan yerin temiz olması gerekmektedir.

Elektrot üst görünüş

Elektrot alttan görünüş

EKG sinyali insan vücudundan farklı derivasyonlar ile elde edilebilir. Ben üçlü derivasyonu kullandım. Yani sağ kol, sol kol ve sol bacak. Sol bacak yerine sağ bacaktanda çıkış alabilirsiniz.

Elektrot bağlantı şekli (Sağ kol, Sol kol ve Sol bacak)

2) Vücuttan Alınan Sinyalin iletimi (Kablo)

            Vücutta EKG sinyallerine diğer sistemlerin sinyalleri de karışır. Bu nedenle oldukça yüksek gürültü meydana gelir. Bu gürültüler bizim istediğimiz sinyalin görülmesini engeller. Elektrotlardan EKG'ye sinyalleri iletirken ortam gürültüleri de bu sinyale karışabilir. EKG ve Elektrot arasında kullanılan kablolarda bu nedenle önemlidir. Bu iki sistem arasında shield'lı kablolar kullanıldığında kablodaki sinyaller büyük oranda korunmuş olur. Ancak ben ilk aşama olarak shield'sız kablo kullandım. 

Elektrot - EKG arası kullanılan kablo

3) EKG Sinyali'nin İlk İşlenme Evresi (Enstrümantasyon Yükselteci)

            Vücuttan elde edilen EKG sinyalinin genliği çok düşüktür. Yaklaşık olarak 100-500 uV seviyelerindedir. EKG sinyalinin frekansı ise 0,05-150 Hz aralığındadır. Vücuttan alınan elektriksel sinyallerin genlikleri çok düşük olduğundan ölçüm doğrulukları çok azdır. Bu nedenden dolayı bu sinyallerin yükseltilmesi gerekir. EKG cihazında bu yükseltme işlemini oldukça hassas olan Enstrümantasyon Yükselteçleri yapar. Enstrümantasyon yükselteçleri 3 adet opamp'ın bir kılıfta toplanması ile oluşur. Tek kılıfta toplanmasının nedeni ise dışardan oluşabilecek tüm bozucu etkileri yok etmektir. Ayrıca bu yükselteçlerin CMRR ( Ortak Mod Bastırma Oranı) 'leri de oldukça yüksektir. Piyasada bulunan yükselteçlerden CMRR oranları 100-120 dB arasında olanlar iyi, 80-90 dB arasında olanlar ise çok iyi olarak bilinir. Benim kullandığım Enstrümantasyon yükseltecinin CMRR oranı 106 dB'dir. Enstrümantasyon yükselteçleri elektrotlardan alınan sinyalleri güçlendirir. Bu arada dikkat edilmesi gereken bir nokta vardır. Enstrümantasyon yükselteçleri EKG sinyalini güçlendirmesinin yanı sıra diğer gürültülü sinyalleri de güçlendirir. Bu nedenle sadece Enstrümantasyon yükselteci EKG devresinde çok bir anlam ifade etmemektedir. Bu opamp'lı yapının hemen ardından filtre devleri kullanılmalıdır. 

INA121 bağlantı şekli

1 ve 8 nolu pin kazanç pinidir. Ben R1 direncini 220 ohm kullandım. Burada bir kazanç formülü mevcut. Ürün datasheet'inden bu formüle erişebilirsiniz. INA121 için G=1+(50kohm/R1) ' dir. Bu işlemi yaparsak eğer ; 228,273 değerini elde ederiz. Bu giriş sinyalini 228,273 kat artıracağımız anlamına geliyor. 7 nolu uç pozitif besleme, 4 nolu uç ise negatif beslemedir. 2,3,5 nolu pinler elektrot giriş uçlarıdır. Görselde nereye bağlanacağı gösterilmiştir. Ayrıca 5 nolu pin toprak ucunada bağlanacaktır. Aslında sol yada sağ bacak referans yani toprak olarak devrede işeleme tabi tutulur. 

NOT: Pozitif ve negatif besleme ile aynı zamanda toprak ucuda oluşturmak için simetrik besleme yapmak gerekir.

4) Alçak Geçiren Filtre Tasarımı

            INA121'in 6 nolu pininden elde edilen çıkış değeri güçlendirilmiş sinyaldir. Ancak buradaki sinyal istenilen sinyal değildir. Çünkü güçlendirilme yapılması esnasında gürültülü sinyallerde yükseltilmiştir. Dolayısıyla kendi sinyalimize gürültülerde karışmıştır. Bu sinyali filtreleyerek esas sinyali elde etmek gerekir. Bunun için ilk adım alçak geçiren filtre devresidir. Burada LM358 kodlu opamp kullanılmıştır. EKG sinyal değerimiz 0,02 ile 150 Hz aralığındaydı. Bu değeri 0-100 Hz aralığında yaparsanız da istenilen sinyali elde edebilirsiniz. Burada EKG üst sinyali 108,271 Hz olarak belirlenmiştir. Alçak geçiren filtre 108,271 Hz ve altı sinyalleri geçirmeye olanak sağlayacaktır. Bu sayede 108,271 Hz üstü sinyaller bastırılmış olacaktır. 

Alçak geçiren filtre

5) Yüksek Geçiren Filtre Tasarımı

            İstenilen sinyalimiz önce INA 121 entegresinde yükseltildi sonra ise 108,271 Hz üstü sinyallerden temizlendi. Şimdi ise sırada yüksek geçiren filtre tasarımı var. Yüksek geçire filtre tasarımında da belirlenen değerin üstündeki sinyallerin geçirilmesi sağlanır. Yüksek geçiren filtre frekans değeri burada 0,175 Hz olarak ayarlanmıştır. Alçak geçiren ve yüksek geçiren filtre bir araya geldiğinde sınır değerler oluşturur. Projede alçak geçiren filtre değeri 108,271 Hz, yüksek geçiren filtre değeri ise 0,175 Hz dir. Bu sayede alınan sinyal 0,175-180,271 Hz aralığında tutulur. Bu sinyallerin dışındaki sinyaller bastırılır ve sisteme etkileri önlenmiş olur. 

Yüksek geçiren filtre

6) Bant Durduran Filtre Tasarımı

            Bilindiği üzere ev şebekeleri 220 V'tur. Bu gerilimin frekans değeri ise 50 Hz'dir. EKG sinyalimiz ise 0,175-108,271 Hz aralığındadır. Alçak geçiren ve yüksek geçiren filtre tasarımımız da EKG frekans değerlerini ayarlamıştık. Görüldüğü üzere şebeke sinyalimiz EKG sinyal değeri arasında kalıyor. Bu sebeple 50 Hz'lik şebeke sinyali, EKG sinyalimizi etkiliyor ve gürültülere neden oluyor. Bu 50 Hz'lik sinyali yok etmek için bant durduran filtreler kullanılır. Bu bant durduran filtre sadece 50 Hz frekansını absorbe eder. Diğer frekans aralıklarına karışmaz. 

Bant durduran filtre

Bant durduran filtrede 50 Hz frekansı elde etmek için ; 

bu linke  http://sim.okawa-denshi.jp/en/TwinTCRtool.php tıklayarak çok rahat bir şekilde değerleri belirleyebilirsiniz.

7) Sinyali Düzenleyen Ekstra Tasarımlar (Sağ Bacak Sürücüsü)

            Bu projede sağ bacaktan gelen sinyal INA 121 entegresinin 5 nolu bacağı ile simetrik besleme kaynağının toprak ucuna bağlanıyordu. Endüstriyel yeni nesil EKG cihazlarında sağ bacak toprağa bağlanmaz. Bunun yerine sağ bacak sürücüsü ile yükselticinin çıkışına bağlanır. Ortak mod voltajı iki eşik direncin arasından  alınır, ters çevirilir, yükseltilir ve sağ-bacağa geri beslenir. Bu negatif geri besleme ortak-mod voltajını düşürür.

            Vücuttan akan kaçak akımlar toprağa değil yardımcı opamp üzerinden akar. Bu bağlantı hastanın toprak bağlantısını önler ve etkileşimi azaltır. Bu devre aynı zamanda elektriksel-güvenlik görevi de görür. Eğer hasta ile toprak arasında çok yüksek bir voltaj oluşursa yardımcı yükseltici doyuma gider ve hastayı korur. Ben sağ bacak sürücü devresini kullanmadım. Kullanırsanız eğer daha iyi bir sinyal elde etmiş olursunuz.

Evet. Şimdi bunları yaptık ama "Nereyi nereye bağlayacağız?" diyebilirsiniz. Bunun için sistemin genel şematiğini de sizlerle paylaşıyorum. 

EKG devresi genel şematik

Yukarıdaki gibi şematiğimizi görebilirsiniz. 

Evet tüm bu tasarımları yaptık. Ee ne olcak şimdi gibi düşünebilirsiniz. Artık sonuca biraz daha yaklaşalım. Sinyallerimiz nasıl oluyor bunlara bakalım.

İlk olarak Alçak geçiren, yüksek geçiren ve bant durduran filtre olmadan nasıl bir sinyal çıkıyor ona bir bakalım.

Filtresiz sinyal

Görüldüğü gibi filtre olmazsa çokta bir belirginlik yok. Şimdi sırada INA121 ve bant geçiren filtrenin bir arada bulunduğu ama alçak geçiren ve yüksek geçiren filtrenin bulunmadığı sinyale bir bakalım.

INA121 ve Bant durduran filtre uygulanmış sinyal

Alçak geçiren ve yüksek geçiren filtre olmadan elde edilen siyalimiz yukarıdaki gibi. Peki bunları gördük bide sistemimizde tüm filtreler kullanılırken nasıl bir sinyal çıkıyor buna bakalım.

Filtreli sinyal

Evet sistem çıkışımızın osilaskop görüntüsü yukarıdaki gibidir. Yazıma son vermeden önce bazı noktalara değinmek istiyorum.

1) Osilaskop ölçeklemesi yüksek olmalıdır aksi halde sinyalleri göremeyebilirsiniz.

2) Enstrümantasyon yükselteçlerinde elektrostatik yüklenmeye dikkat etmek gerekir. Aksi durumda entegreniz yanar hiçbir sinyal elde edemezsiniz. ESD önerimdir.

3) Sağ bacak sürücüsü ve shield gibi önlemleri alırsanız çok daha net bir sinyal elde etmiş olursunuz.

Burada yazıma son veriyorum. Daha fazla bilgi almak isterseniz enderdonmez28@gmail.com hesabıma mail atabilirsiniz. İyi çalışmalar dilerim :)