ECG Easy Automated (1 amplificador, 2 filtres): 7 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:13

Un electrocardiograma (ECG) mesura i mostra l’activitat elèctrica del cor mitjançant diferents elèctrodes col·locats a la pell. Es pot crear un ECG mitjançant un amplificador d’instrumentació, un filtre d’escot i un filtre de pas baix. Finalment, el senyal filtrat i amplificat es pot visualitzar mitjançant el programari LabView. LabView també utilitza la freqüència d'entrada del senyal per calcular els batecs del cor del subjecte humà. L'amplificador d'instrumentació construït va tenir èxit en prendre el petit senyal del cos i amplificar-lo a 1 V, de manera que es podia veure a l'ordinador mitjançant LabView. Els filtres de pas i baix van tenir èxit en reduir el soroll de 60 Hz de les fonts d’alimentació i interferir els senyals superiors a 350 Hz. El batec del cor en repòs es va mesurar a 75 bpm i 137 bpm després de cinc minuts d’exercici intens. L’ECG construït va ser capaç de mesurar els batecs del cor a valors realistes i visualitzar els diferents components d’una forma d’ona ECG típica. En el futur, aquest ECG es podria millorar alterant els valors passius del filtre de tacs per reduir més soroll al voltant dels 60 Hz.

Pas 1: creeu l'amplificador d'instrumentació

Necessitareu: LTSpice (o un altre programari de visualització de circuits)

L'amplificador d'instrumentació es va crear per augmentar la mida del senyal, de manera que serà visible i permetrà analitzar la forma d'ona.

Utilitzant R1 = 3,3k ohms, R2 = 33k ohms, R3 = 1k ohms, R4 = 48 ohms s’aconsegueix un guany de X. Guany = - R4 / R3 (1 + R2 / R1) = -47k / 1k (1- (33k / 3,3k)) = -1008

Com que a l’amplificador operatiu final el senyal entra al pin inversor, el guany és de 1008. Aquest disseny es va crear a LTSpice i després es va simular amb un escombrat de CA d’1 a 1 kHz amb 100 punts per dècada per a una entrada d’ona sinusoïdal amb amplitud de 1 V.

Vam comprovar que el nostre guany era un guany previst similar. A la gràfica hem trobat Gain = 10 ^ (60/20) = 1000, que és prou proper al guany previst de 1008.

Pas 2: creeu el filtre Notch

Necessitareu: LTSpice (o un altre programari de visualització de circuits)

Un filtre de graella és un tipus específic de filtre de pas baix seguit d’un filtre de pas alt per eliminar una freqüència específica. S'utilitza un filtre de tacs per eliminar el soroll produït per tots els dispositius electrònics que es troba a 60Hz.

Es van calcular els valors passius: C =.1 uF (es va escollir el valor) 2C =.2 uF (condensador de.22 uF utilitzat)

S'utilitzarà un factor AQ de 8: R1 = 1 / (2 * Q * 2 * pi * f * C) = 1 / (2 * 8 * 2 * 3.14159 * 60 *.1E-6) = 1,66 kOhm (1,8 kOhm es va utilitzar) R2 = 2Q / (2 * pi * f * C) = (2 * 8) / (60 Hz * 2 * 3.14159 *.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm era usat) Divisió de tensió: Rf = R1 * R2 / (R1 + R2) = 1,8 kOhm * 423 kOhm / (1,8 kOhm + 423 kOhm) = 1,79 kOhm (es va utilitzar 1,8 kOhm)

Aquest disseny de filtre té un guany d'1, el que significa que no hi ha propietats d'amplificació.

Connectar els valors passius i simular en LTSpice amb un AC Sweep i un senyal d’entrada d’ona sinusoïdal de 0,1 V amb una freqüència de CA d’1 kHz dóna lloc a la representació del bode adjunt.

Amb una freqüència d’uns 60 Hz, el senyal arriba al voltatge més baix. El filtre té èxit a l’hora d’eliminar el soroll de 60 Hz a una tensió imperceptible de 0,01 V i proporcionar un guany d’1, ja que la tensió d’entrada és de 0,1 V.

Pas 3: creeu el filtre de pas baix

Necessitareu: LTSpice (o un altre programari de visualització de circuits)

Es va crear un filtre de pas baix per eliminar els senyals superiors al llindar d’interès que contenirien el senyal ECG. El llindar d’interès estava entre 0 i 350Hz.

Es va escollir el valor del condensador per ser de.1 uF. La resistència necessària es calcula per a una freqüència de tall elevada de 335 Hz: C = 0,1 uF R = 1 / (2pi * 0,1 * (10 ^ -6) * 335 Hz) = 4,75 kOhm (es va utilitzar 4,7 kOhm)

Connectar els valors passius i simular en LTSpice amb un AC Sweep i un senyal d’entrada d’ona sinusoïdal de 0,1 V amb una freqüència de CA d’1 kHz dóna lloc a la representació del bode adjunt.

Pas 4: creeu el circuit en una tauleta de pa

Necessitareu: resistències de valors diferents, condensadors de valors diferents, amplificadors operatius UA 471, cables de pont, una placa, cables de connexió, una font d’alimentació o bateria de 9 V

Ara que heu simulat el vostre circuit, és hora de construir-lo sobre una taula de treball. Si no teniu els valors exactes a la llista, utilitzeu el que teniu o combineu resistències i condensadors per obtenir els valors que necessiteu. Recordeu alimentar la vostra placa de pa mitjançant una bateria de 9 volts o una font d'alimentació de CC. Cada amplificador operatiu necessita una font de tensió positiva i negativa.

Pas 5: configureu l'entorn LabView

Necessitareu: programari LabView, un ordinador

Per automatitzar la visualització de la forma d'ona i el càlcul de la freqüència cardíaca, es va utilitzar LabView. LabView és un programa utilitzat per visualitzar i analitzar dades. La sortida del circuit ECG és l’entrada de LabView. Les dades s’introdueixen, es representen gràficament i s’analitzen a partir del diagrama de blocs dissenyat a continuació.

En primer lloc, l'Assistent DAQ pren el senyal analògic del circuit. Les instruccions de mostreig es configuren aquí. La freqüència de mostreig era de 1 k de mostres per segon i l’interval de 3 k ms, per tant l’interval de temps vist al gràfic de formes d’ona és de 3 segons. El gràfic de formes d'ona va rebre dades de l'Assistent DAQ i després les va representar a la finestra del tauler frontal. La secció inferior del diagrama de blocs inclou el càlcul de la freqüència cardíaca. Primer es mesuren el màxim i el mínim de l’ona. A continuació, aquestes mesures d'amplitud s'utilitzen per determinar si es produeixen pics que es defineixen com el 95% de l'amplitud màxima i, en aquest cas, es registra el punt de temps. Un cop detectats els pics, l'amplitud i el punt de temps s'emmagatzemen en matrius. A continuació, el nombre de pics / segons es converteix en minuts i es mostra al tauler frontal. El tauler frontal mostra la forma d'ona i els batecs per minut.

El circuit es va connectar a LabVIEW mitjançant un ADC de National Instruments, tal com es mostra a la figura anterior. El generador de funcions va produir el senyal d'ECG simulat que es va introduir a l'ADC que va transferir les dades a LabView per a la seva representació gràfica i anàlisi. A més, un cop calculat el BPM a LabVIEW, es va utilitzar l’indicador numèric per imprimir aquest valor al tauler frontal de l’aplicació al costat del gràfic de forma d’ona, tal com es veu a la figura 2.

Pas 6: proveu el circuit mitjançant el generador de funcions

Necessitareu: circuit a placa, cables de connexió, una font d'alimentació o bateria de 9 V, National Instruments ADC, programari LabView, un ordinador

Per provar la instrumentació LabView, es va introduir un ECG simulat al circuit i la sortida del circuit es va connectar a LabView a través del National Instruments ADC. Primer es va introduir al circuit un senyal de 20 mVpp a 1 Hz per simular els batecs del cor en repòs. El tauler frontal de LabView es mostra a la imatge següent. Totes són visibles les ones P, T, U i QRS. El BMP es calcula i es mostra correctament a l'indicador numèric. Hi ha un guany d’uns 8 V / 0,02 V = 400 a través del circuit, que és similar al que vam veure quan es va connectar el circuit a l’oscil·loscopi. S'adjunta una imatge del resultat a LabView. A continuació, per simular un batec del cor elevat, per exemple durant l'exercici, es va introduir al circuit un senyal de 20 mVpp a 2 Hz. Hi va haver un guany comparable al de la freqüència cardíaca en repòs. Per sota de la forma d'ona es veu que té les mateixes parts que abans a un ritme més ràpid. La freqüència cardíaca es calcula i es mostra a l'indicador numèric i veiem els 120 BPM esperats.

Pas 7: Prova el circuit mitjançant un subjecte humà

Necessitareu: circuit a la placa, cables de connexió, una font d’alimentació o bateria de 9 V, National Instruments ADC, programari LabView, un ordinador, elèctrodes (almenys tres), un subjecte humà

Finalment, el circuit estava provant amb un cable d’ECG de subjecte humà que entra al circuit i a la sortida del circuit que entrava a LabView. Es van col·locar tres elèctrodes sobre un subjecte per obtenir un senyal real. Es col·locaven elèctrodes als canells i al turmell dret. El canell dret va ser l’entrada positiva, el canell esquerre va ser negatiu i el turmell estava mòlt. Una vegada més, les dades es van introduir a LabView per processar-les. La configuració de l'elèctrode s'adjunta com una imatge.

En primer lloc, es va mostrar i analitzar el senyal d’ECG en repòs del subjecte. En repòs, el subjecte tenia una freqüència cardíaca d'aproximadament 75 bpm. Després, el subjecte va participar en una intensa activitat física durant 5 minuts. Es va tornar a connectar el tema i es va enregistrar el senyal elevat. La freqüència cardíaca va ser d'aproximadament 137 ppm després de l'activitat. Aquest senyal era més petit i tenia més soroll. Es col·locaven elèctrodes als canells i al turmell dret. El canell dret va ser l’entrada positiva, el canell esquerre va ser negatiu i el turmell estava mòlt. Una vegada més, les dades es van introduir a LabView per processar-les.

Una persona mitjana té un senyal d’ECG d’aproximadament 1 mV. El nostre guany esperat era d’uns 1000, per tant, esperaríem un voltatge de sortida d’1V. A partir de l'enregistrament en repòs vist a la imatge XX, l'amplitud del complex QRS és aproximadament (-0,7) - (-1,6) = 0,9 V. Això produeix un error del 10%. (1-0.9) / 1 * 100 = 10% La freqüència cardíaca en repòs d’un ésser humà estàndard és de 60, la mesura era d’uns 75, això produeix | 60-75 | * 100/60 = 25% d’error. La freqüència cardíaca elevada d’un ésser humà estàndard és de 120, la mesura va ser d’uns 137; això produeix | 120-137 | * 100/120 = 15% d’error.

Felicitats! Ara heu creat el vostre propi ECG automatitzat.