Circuit ECG simple i programa de freqüència cardíaca LabVIEW: 6 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:16

Un electrocardiograma, o més conegut com ECG, és un sistema de diagnòstic i control extremadament potent que s’utilitza en totes les pràctiques mèdiques. Els electrocardiogrames s’utilitzen per observar gràficament l’activitat elèctrica del cor per comprovar si hi ha anomalies en la freqüència cardíaca o en la senyalització elèctrica.

A partir d’una lectura d’ECG, la freqüència cardíaca dels pacients es pot determinar per l’espai temporal entre els complexos QRS. A més, es poden detectar altres afeccions mèdiques, com ara un atac cardíac pendent per una elevació del segment ST. Lectures com aquesta poden ser crucials per diagnosticar i tractar correctament un pacient. L’ona P mostra la contracció de l’aurícula del cor, la corba QRS és la contracció ventricular i l’ona T és la repolarització del cor. Conèixer fins i tot informació senzilla com aquesta pot diagnosticar ràpidament els pacients per una funció cardíaca anormal.

Un ECG estàndard utilitzat en la pràctica mèdica té set elèctrodes que es col·loquen en un patró semicircular suau al voltant de la regió inferior del cor. Aquesta col·locació d’elèctrodes permet un mínim soroll durant la gravació i també permet mesures més consistents. Per al nostre propòsit del circuit ECG creat, només utilitzarem tres elèctrodes. L'elèctrode d'entrada positiu es col·locarà al canell intern dret, l'elèctrode d'entrada negatiu es col·locarà al canell interior esquerre i l'elèctrode de terra es connectarà al turmell. Això permetrà que les lectures es facin a través del cor amb relativa precisió. Amb aquesta col·locació d’elèctrodes connectats a un amplificador d’instrumentació, un filtre de pas baix i un filtre de graella, les formes d’ona ECG s’haurien de distingir fàcilment com a senyal de sortida del circuit creat.

NOTA: 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

Pas 1: Construir un amplificador d'instrumentació

Per construir una instrumentació de diverses etapes amb un guany de 1000 o 60 dB, s’hauria d’aplicar la següent equació.

Guany = (1 + 2 * R1 / Rgain)

R1 és igual a totes les resistències que s’utilitzen a l’amplificador d’instrumentació, a part de la resistència de guany, que en certa manera farà que tot el guany estigui implicat a la primera etapa de l’amplificador. Es va triar que fos de 50,3 kΩ. Per calcular la resistència de guany, aquest valor es connecta a l'equació anterior.

1000 = (1 + 2 * 50300 / Rgain)

Augment = 100,7

Després de calcular aquest valor, l'amplificador d'instrumentació es pot construir com el següent circuit que es mostra en aquest pas. Els OP / AMPs haurien d’alimentar-se amb 15 volts positius i negatius tal com es mostra al diagrama del circuit. Els condensadors de derivació per a cada OP / AMP s’han de col·locar prop de l’OP / AMP en sèrie amb la font d’alimentació per esmorteir qualsevol senyal de CA que provingui de la font d’energia a terra per evitar que els OP / AMP es fregin i qualsevol soroll addicional que pugui contribuir al senyal. A més, per provar el guany real dels circuits, s'hauria de donar una ona sinusoïdal al node d'elèctrode positiu i el node d'elèctrode negatiu a la terra. Això permetrà veure amb exactitud el guany del circuit amb un senyal d’entrada inferior a 15 mV de pic a pic.

Pas 2: construïu el filtre de pas baix de segon ordre

Es va utilitzar un filtre de pas baix de segon ordre per eliminar el soroll per sobre de la freqüència d’interès del senyal ECG que era de 150 Hz.

El valor K utilitzat en els càlculs del filtre de pas baix de segon ordre és el guany. Com que no volem cap guany al nostre filtre, hem escollit un valor de guany d'1 que significa que el voltatge d'entrada serà igual al voltatge de sortida.

K = 1

Per a un filtre Butterworth de segon ordre que s'utilitzarà per a aquest circuit, els coeficients a i b es defineixen a continuació. a = 1,414214 b = 1

En primer lloc, es tria el segon valor del condensador per ser un condensador relativament gran que estigui fàcilment disponible al laboratori i al món real.

C2 = 0,1 F

Per calcular el primer condensador, s’utilitzen les següents relacions entre aquest i el segon condensador. Els coeficients K, a i b es van connectar a l'equació per calcular quin hauria de ser aquest valor.

C1 <= C2 * [a ^ 2 + 4b (K-1)] / 4b

C1 <= (0,1 * 10 ^ -6 [1.414214 ^ 2 + 4 * 1 (1-1)] / 4 * 1

C1 <= 50 nF

Com que es calcula que el primer condensador és inferior o igual a 50 nF, es va triar el següent valor del condensador.

C1 = 33 nF

Per calcular la primera resistència necessària per a aquest filtre de pas baix de segon ordre amb una freqüència de tall de 150 Hz, es va resoldre la següent equació utilitzant tant els valors calculats del condensador com els coeficients K, a i b. R1 = 2 / [(freqüència de tall) * [aC2 * sqrt ([(a ^ 2 + 4b (K-1)) C2 ^ 2-4bC1C2])]

R1 = 9478 Ohm

Per calcular la segona resistència es va utilitzar la següent equació. La freqüència de tall de nou és de 150 Hz i el coeficient b és d’1.

R2 = 1 / [bC1C2R1 (freqüència de tall) ^ 2]

R2 = 35,99 kOhm Després de calcular els valors anteriors per a les resistències i condensadors necessaris per a un filtre de graella de segon ordre, es va crear el següent circuit per mostrar el filtre de pas baix actiu que s’utilitzarà. L’OP / AMP s’alimenta amb 15 volts positius i negatius tal com es mostra al diagrama. Els condensadors de derivació estan connectats a les fonts d’alimentació de manera que qualsevol senyal de CA que surti de la font es desviï a terra per garantir que l’OP / AMP no es frigui amb aquest senyal. Per provar aquesta etapa del circuit ECG, el node de senyal d'entrada s'hauria de connectar a una ona sinusoïdal i s'hauria de realitzar un escombrat alternatiu d'1 Hz a 200 Hz per veure com funciona el filtre.

Pas 3: construïu el filtre Notch

El filtre de tacs és una part extremadament important de molts circuits per mesurar senyals de baixa freqüència. A baixes freqüències, el soroll de corrent altern de 60 Hz és extremadament comú ja que és la freqüència del corrent de corrent altern que travessa edificis dels Estats Units. Aquest soroll de 60 Hz és incòmode, ja que es troba al centre de la banda de pas de l’ECG, però un filtre de tacs pot eliminar freqüències específiques conservant la resta del senyal. A l’hora de dissenyar aquest filtre de mànigues, és molt important tenir un factor d’alta qualitat, Q, per assegurar que el llançament del tall sigui nítid al voltant del punt d’interès. A continuació es detallen els càlculs que s’utilitzen per construir un filtre de tacs actiu que s’utilitzarà al circuit ECG.

En primer lloc, la freqüència d’interès, 60 Hz, s’ha de convertir d’Hz a rad / s.

freqüència = 2 * pi * freqüència

freqüència = 376,99 rad / segon

A continuació, s’ha de calcular l’amplada de banda de les freqüències tallades. Aquests valors es determinen de manera que garanteixi que la freqüència d'interès principal, 60 Hz, estigui completament tallada i que només es afectin lleugerament algunes freqüències circumdants.

Amplada de banda = Tall2-Tall1

Amplada de banda = 37,699 El factor de qualitat s'ha de determinar a continuació. El factor de qualitat determina la intensitat de la osca i l’estretesa que comença el tall. Es calcula utilitzant l’amplada de banda i la freqüència d’interès. Q = freqüència / amplada de banda

Q = 10

Es tria un valor de condensador fàcilment disponible per a aquest filtre. El condensador no ha de ser gran i definitivament no ha de ser massa petit.

C = 100 nF

Per calcular la primera resistència utilitzada en aquest filtre actiu, es va utilitzar la següent relació que implica el factor de qualitat, la freqüència d'interès i el condensador triat.

R1 = 1 / [2QC * freqüència]

R1 = 1326,29 Ohm

La segona resistència utilitzada en aquest filtre es calcula mitjançant la següent relació.

R2 = 2Q / [freqüència * C]

R2 = 530516 Ohm

La resistència final d’aquest filtre es calcula utilitzant els dos valors de resistència anteriors. S'espera que sigui molt similar a la primera resistència calculada.

R3 = R1 * R2 / [R1 + R2]

R3 = 1323 Ohm

Després de calcular tots els valors dels components mitjançant les equacions descrites anteriorment, s’ha de construir el següent filtre de osca per filtrar amb precisió el soroll de CA de 60 Hz que interromprà el senyal de l’ECG. L’OP / AMP s’hauria d’alimentar amb 15 volts positius i negatius tal com es mostra al circuit següent. Els condensadors de derivació es connecten des de les fonts d’alimentació de l’OP / AMP de manera que qualsevol senyal de CA que provingui de la font d’alimentació es desviï a terra per garantir que l’OP / AMP no es frigui. Per provar aquesta part del circuit, el senyal d’entrada s’hauria de connectar a una ona sinusoïdal i s’hauria de realitzar un escombrat de CA de 40 Hz a 80 Hz per veure el filtratge del senyal de 60 Hz.

Pas 4: creeu un programa LabVIEW per calcular la freqüència cardíaca

LabVIEW és una eina útil per executar instruments i recollir dades. Per recopilar dades d’ECG, s’utilitza una placa DAQ que llegeix les tensions d’entrada a un ritme de mostreig d’1 kHz. Aquests voltatges d'entrada s'envien a una trama que s'utilitza per mostrar l'enregistrament ECG. Les dades que es recopilen passen per un cercador màxim que genera els valors màxims llegits. Aquests valors permeten calcular un llindar màxim al 98% de la producció màxima. Després, s’utilitza un detector de pics per determinar quan les dades són superiors a aquest llindar. Aquestes dades juntament amb el temps entre pics es poden utilitzar per determinar la freqüència cardíaca. Aquest senzill càlcul determinarà amb precisió la freqüència cardíaca a partir de les tensions d’entrada llegides per la placa DAQ.

Pas 5: proves

Després de construir els vostres circuits, esteu preparats per posar-los a treballar! En primer lloc, cada etapa s’ha de provar amb una freqüència d’escombrat de CA de 0,05 Hz a 200 Hz. El voltatge d'entrada no ha de ser superior a 15 mV de pic a pic perquè el senyal no sigui carregat per les limitacions OP / AMP. A continuació, connecteu tots els circuits i torneu a fer un escombrat de CA complet per assegurar-vos que tot funciona correctament. Quan estigueu satisfet amb la sortida del circuit complet, és hora de connectar-vos-hi. Col·loqueu l’elèctrode positiu al canell dret i l’elèctrode negatiu al canell esquerre. Poseu l'elèctrode de terra al turmell. Connecteu la sortida del circuit complet a la vostra placa DAQ i executeu el programa LabVIEW. El vostre senyal d'ECG ara hauria de ser visible al gràfic de formes d'ona de l'ordinador. Si no està distorsionat o proveu de reduir el guany del circuit fins a uns 10, canviant la resistència de guany en conseqüència. Això hauria de permetre la lectura del senyal pel programa LabVIEW.