Elektroteknik SME124
Laboration 4
EKG
Bakgrund
Det finns flera exempel på situationer då man vill mäta en liten snabb signal som är överlagrad
en större men långsamt varierande signal. Ett exempel på en sådan situation är att mäta de
spänningsförändringar på hudytan som härrör från hjärtats muskelaktivitet, ett så kallat EKG
(elekrokardiogram). Signalnivåerna från hjärtats aktivitet kommer att vara små och kan vara av
storleksordningen millivolt. Potentialskillanden mellan olika delar av kroppen kan vara av
storleksordningen volt eller mer och förutom detta så kommer allehanda elektriska störningar
att generera en elektrisk brusnivå som kan vara tiotals gånger större än den signal vi vill mäta
upp. Förhållandet i volt räknat mellan signalen man är intresserad av och bruset brukar man
kalla signal-brus förhållande. Man kan kallt räkna med att signal-brus förhållandet för signalen
från hjärtat kan vara uppåt 1/1000.
Man skulle kunna använda en operationsförstärkare för att förstärka signalen men den
förstärker både signal och brus lika mycket och går därför inte att använda. Lösningen på
problemet heter instrumentförstärkare.
I sådana delikata mätsituationer brukar man använda en instrumentförstärkare. En instrumentförstärkare har den egenskapen att den bara förstärker skillnaden mellan ingångarna och
dämpar, eller subtraherar bort, den del som är gemensam för ingångarna. Har man lika mycket
brus på båda ingångarna så kommer det helt enkelt att dämpas rejält. Ett mått på hur bra
dämpningen, eller subtraktionen, genomförs är Common Mode Rejection Ratio (CMRR).
För vår EKG koppling så måste man ha en CMRR på 1000 (60 dB) eller mer eftersom vi
räknar med att signal-brus förhållandet var 1/1000. Detta ställer höga krav på den
instrumentförstärkare som skall användas.
Hjärtat slår med 40-60 slag/minut och signalen vi vill titta på genomgår förändringar som sker
på 5-10 ms. Det innebär att varje hjärtslags elektriska signalinnehåll har frekvenser på uppåt
100-200 Hz.
Instrumentförstärkare
I vår koppling kommer vi att använda en instrumentförstärkare AD622 från tillverkaren
Analog Devices Inc. Den har ett CMRR vid 1000 ggr förstärkning som är ~110dB för den
signal och det frekvensintervall vi är intresserad av (datablad bifogas) – dvs. den kommer med
marginal att uppfylla de krav vi har på förstärkaren.
OBS! Kretsen är mycket känslig för statisk elektricitet. Se till att jorda dig och hantera kretsen
försiktigt!
Uppkoppling
OBS! Koppla allting på kopplingsdäcket klart innan du kopplar in batterierna.
Som spänningsmatning används två 9 volts batterier. Genom detta så undviks risken med att
föra in 50Hz störningar i kretsen samtidigt som man undviker risken att få en elektrisk shock
om något skulle gå fel.
Du kommer att få tre elektroder som skall placeras på kroppen. En elektrod placeras på insidan
av vänster handled (jord). För de två övriga elektroderna så kan man kan tänka sig flera olika
placeringar. En elektrod kan placeras ungefär vid andra revbenet, på vänster sidan ovanför
hjärtat, och den andra under armen på vänster sida på samma höjd som den första elektroden.
Alternativt kan man placera elektroderna på höger och vänster överarm/axel.
Om allt är rätt kopplat och oscilloskopet är rätt inställt kommer du att se en signal som ser ut
ungefär såhär:
Varje del av kurvan har sitt ursprung i olika moment i hjärtats rörelsecykel.
Frågor:
1. Du kommer med all säkerhet att se ett regelbundet brus på din signal. Vilken frekvens
har bruset och varifrån kommer det?
2. Vilken frekvens har hjärtslagen om försökspersonen befinner sig vila?
3. Försök öka hjärtfrekvensen till det dubbla genom att springa på stället några minuter.
Ta några mätningar av hjärtfrekvensen för olika tidpunkter (notera tidpunkterna) efter
det att försökspersonen slutat springa. Plotta hjärtfrekvens som funktion av tid.
Uppskatta med hjälp av diagrammet hur lång tid tar det innan hjärtat återfått sin
normala hjärtfrekvens.
4. På utgången på instrumentförstärkaren (ben 6) sitter ett par kondensatorer och
motstånd. Vilken funktion har dessa komponenter? Ledning: Mät med oscilloskopet
vid position A ovan, dvs. före komponenterna, och vid position B.
Redovisa som vanligt.
(Själva idéen till laborationen kommer från en artikel i Scientific American,”Home is Where
the ECG is”, Shawn Carlson, June, 2000.)
Slut.
