Circuit de recollida d’ECG: 5 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

AVÍS: no es tracta d’un dispositiu mèdic. Això només té finalitats educatives mitjançant senyals simulats. Si utilitzeu aquest circuit per a mesures reals d’ECG, assegureu-vos que el circuit i les connexions de circuit a instrument utilitzen tècniques d’aïllament adequades

Potser la mesura fisiològica més estesa a la indústria sanitària actual és l’electrocardiograma (ECG / EKG). És difícil caminar per un hospital o una sala d’urgències sense escoltar el “pit” tradicional d’un monitor de ritme cardíac ni veure la forma d’ona de l’ECG rodant per la pantalla a l’habitació d’un pacient. Però, què és aquesta mesura que s’ha associat tan a la sanitat moderna?

Sovint s’equivoca l’electrocardiograma per registrar l’activitat física del cor, però, com el seu nom indica, és en realitat un registre de l’activitat elèctrica, la despolarització i la repolarització, dels músculs del cor. En analitzar la forma d’ona registrada, els metges són capaços de conèixer el comportament del sistema elèctric del cor. Alguns diagnòstics habituals fets a partir de dades d’ECG inclouen: infart de miocardi, embòlia pulmonar, arítmies i blocs AV.

A continuació, es detallarà el procés i els principis que s’utilitzen per construir un circuit elèctric bàsic capaç de recollir un ECG amb l’ús d’elèctrodes superficials simples, tal com es fa als hospitals.

Pas 1: Dissenyeu un amplificador d'instrumentació

El primer element de circuit necessari per enregistrar el senyal ECG és un amplificador d’instrumentació. Aquest amplificador té dos efectes.

1. Crea un buffer electrònic entre els elèctrodes de gravació i la resta del circuit. D’aquesta manera, es redueix la pràctica de corrent requerida dels elèctrodes a pràcticament zero. Permet la recollida de senyals amb molt poca distorsió causada per la impedància d’entrada.

2. Amplifica diferencialment el senyal enregistrat. Això significa que qualsevol senyal comú en tots dos elèctrodes de gravació no s’amplificarà, mentre que les diferències (les parts importants) seran.

Normalment, els enregistraments d'elèctrodes superficials per a un ECG estaran en el rang de milliVolt. Per tant, per aconseguir aquest senyal en un rang podem treballar amb una amplificació (K) de 1000 V / V serà adequada.

Les equacions de govern per a l'amplificador il·lustrades anteriorment són:

K1 = 1 + 2 * R2 / R1, aquest és el guany de l'etapa 1

K2 = - R4 / R3, aquest és el guany de l'etapa 2

Tingueu en compte que, idealment, K1 i K2 haurien de ser aproximadament iguals i per aconseguir l’amplificació desitjada K1 * K2 = 1000

Els valors finals utilitzats al nostre circuit van ser ….

R1 = 6,5 kOhm

R2 = 100 kOhm

R3 = 3,17 kOhm

R4 = 100 kOhm

Pas 2: dissenyar un filtre de tacs

És probable que al món modern la recollida de l’ECG es faci a prop d’uns altres dispositius electrònics, o fins i tot només en un edifici que es subministri amb electricitat de les línies elèctriques locals. Malauradament, la naturalesa oscil·lant i d’alta tensió de la potència proporcionada fa que produeixi una gran quantitat de "soroll" elèctric en pràcticament qualsevol material conductor que hi hagi a prop; això inclou els cables i els elements del circuit que s’utilitzen per construir el nostre circuit de recollida d’ECG.

Per combatre-ho, qualsevol senyal amb una freqüència igual a la del soroll generat per la font d'alimentació local (anomenada zumbit de xarxa) simplement es pot filtrar i eliminar bàsicament. Als Estats Units, la xarxa elèctrica subministra 110-120V amb una freqüència de 60 Hz. Per tant, hem de filtrar qualsevol component de senyal amb una freqüència de 60 Hz. Per sort, això s’ha fet moltes vegades abans i només requereix el disseny d’un filtre d’escot (a la imatge superior).

Les equacions que regeixen aquest filtre són….

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

R3 = (R1 * R2) / (R1 + R2)

Q = w / B

on wc2 és l’alta freqüència de tall, w2 la freqüència de tall baixa, w la freqüència de tall en rad / seg i Q un factor de qualitat

Tingueu en compte que C és un valor que es pot triar lliurement. Els valors següents utilitzats al nostre circuit van ser:

R1 = 1,65 kOhm

R2 = 424,5 kOhm

Q = 8

w = 120 * pi rad / seg

Pas 3: filtre de pas baix

Els senyals d’ECG tenen una freqüència d’uns 0 - 150Hz. Per tal d’evitar que s’acoblés més soroll al senyal de coses amb una freqüència més alta que aquest rang, es va implementar un filtre ButterWorth de segon ordre de baix ordre amb un tall de 150Hz per tal de permetre que el senyal ECG només passés pel circuit. En lloc d’escollir immediatament un valor de condensador fàcilment disponible, com els components anteriors, es va triar el primer valor del condensador, C2, segons la fórmula que es troba a continuació. A partir d'aquest valor, es podrien calcular tots els altres valors dels components i després afegir-los al circuit mantenint el guany de nou a 1V / V.

C2 ≈ 10 / fc uf, on fc és la freqüència de tall (150 Hz en aquest cas).

A continuació, es poden calcular els valors restants tal com es mostra a la taula inclosa com a segona imatge d’aquest pas.

Els valors finals que es solien col·locar a l'esquema anterior són:

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22,47 kOhm

R2 = 22,56 kOhm

Pas 4: Preparació de LabVIEW

L'únic material necessari per a aquesta secció de la col·lecció ECG és un ordinador Windows equipat amb una còpia de 64 bits de LabVIEW i una placa de condicionament del senyal de National Instruments () amb un únic mòdul d'entrada. El diagrama de blocs funcionals de LabVIEW s'hauria de construir de la següent manera. Comenceu obrint un diagrama de blocs funcionals en blanc.

Inseriu un bloc de l'Assistent DAQ i ajusteu la configuració al següent:

Mesura: Analògic → Voltatge

Mode: RSE

Mostreig: Mostreig continu

Mostres recollides: 2500

Freqüència de mostreig: 1000 / seg

Emet la forma d'ona recollida a un gràfic de forma d'ona. A més, calculeu el valor màxim de les dades de forma d'ona actuals. Multiplicar el valor màxim de l'ona per un valor com ara.8 per crear un llindar per a la detecció de pics, aquest valor es pot ajustar en funció del nivell de soroll dins del senyal. Introduïu el producte del pas anterior com a llindar i la matriu de tensió bruta com a dades per a la funció "Detecció de pics". A continuació, agafeu la sortida "Ubicació" de la matriu de detecció de pics i resteu el primer i el segon valor. Això representa la diferència en els valors d'índex dels dos pics de la matriu inicial. Tot seguit, es pot convertir en una diferència de temps dividint el valor per la freqüència de mostreig, per exemple, és de 1000 / s. Finalment, pren la inversa d’aquest valor (donant Hz) i multiplica per 60 per obtenir la freqüència cardíaca en batecs per minut BPM. El diagrama de blocs final per a això hauria d’assemblar-se a la imatge de capçalera d’aquest pas.

Pas 5: integració del sistema complet

Ara que tots els components s’han construït individualment, és el moment de muntar el centre comercial. Això es pot fer simplement connectant la sortida d'una secció a l'entrada del següent segment. Les etapes s’han de connectar en el mateix ordre que apareixen en aquesta instrucció. Per a l’última etapa, el filtre ButterWorth, la seva entrada s’ha d’adjuntar a un dels dos cables del mòdul d’entrada de la placa de condicionament del senyal. L'altre cable d'aquest mòdul s'hauria de connectar a la terra comuna dels circuits.

Per a l'amplificador d'instrumentació, els seus dos cables han d'estar units a un elèctrode ECG / EKG. Això es fa fàcilment amb l’ús de dues pinces de cocodril. A continuació, col·loqueu un elèctrode a cada canell. Assegureu-vos que tots els segments del circuit estiguin connectats i que el LabVIEW VI s'estigui executant i que el sistema hagi de publicar un gràfic de forma d'ona a la finestra de LabVIEW.

La sortida hauria de ser similar a la segona imatge proporcionada en aquest pas. Si no és similar, és possible que hagueu d’ajustar els valors del vostre circuit. Un dels problemes més habituals és que el filtre de graella no estarà centrat directament a 60 Hz i pot ser lleugerament a alt / baix. Això es pot provar creant un gràfic de bode per al filtre. L’ideal seria que el filtre de tacs tingui com a mínim una atenuació de 20 dB a 60 Hz. També pot ser útil comprovar que l'alimentació local es subministra a 60 Hz. No és estrany que algunes zones tinguin subministraments de corrent altern de 50 Hz, per la qual cosa caldria centrar el filtre de tacs al voltant d’aquest valor.