Circuit senzill d’enregistrament d’ECG i monitor de freqüència cardíaca LabVIEW: 5 passos

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

No es tracta d'un dispositiu mèdic. A efectes educatius només s'utilitzen senyals simulats. Si utilitzeu aquest circuit per a mesures reals d'ECG, assegureu-vos que el circuit i les connexions circuit-instrument utilitzen tècniques d'aïllament adequades

Un dels aspectes més fonamentals de la sanitat moderna és la capacitat de captar una ona cardíaca mitjançant un ECG o un electrocardiograma. Aquesta tècnica utilitza elèctrodes superficials per mesurar els diversos patrons elèctrics emesos pel cor, de manera que la sortida es pot utilitzar com a eina de diagnòstic per diagnosticar afeccions del cor i dels pulmons, com ara diverses formes de taquicàrdia, bloc de branques i hipertròfia. Per diagnosticar aquestes condicions, la forma d'ona de sortida es compara amb un senyal ECG normal.

Per crear un sistema que pugui obtenir la forma d'ona ECG, primer cal amplificar el senyal i després filtrar-lo adequadament per eliminar el soroll. Per fer-ho, es pot construir un circuit de tres etapes mitjançant amplificadors OP.

Aquest instructable proporcionarà la informació necessària per dissenyar i després construir un circuit senzill capaç de gravar un senyal ECG mitjançant elèctrodes superficials i, a continuació, filtrar aquest senyal per a un posterior processament i anàlisi. A més, aquest instructiu esbossarà una tècnica utilitzada per analitzar aquest senyal per crear una representació gràfica de la sortida del circuit, així com un mètode per calcular la freqüència cardíaca a partir de la sortida del circuit de forma d'ona ECG.

Nota: en dissenyar cada etapa, assegureu-vos de realitzar escombrats de CA tant de manera experimental com mitjançant simulacions per garantir el comportament desitjat del circuit.

Pas 1: dissenyar i construir l'amplificador d'instrumentació

La primera etapa d’aquest circuit d’ECG és un amplificador d’instrumentació, que consta de tres amplificadors OP. Els dos primers amplificadors OP són entrades emmagatzemades, que després s’introdueixen en un tercer amplificador OP que funciona com a amplificador diferencial. Els senyals del cos han de ser emmagatzemats o, en cas contrari, la sortida disminuirà, ja que el cos no pot proporcionar molta intensitat. L’ampli diferencial pren la diferència entre les dues fonts d’entrada per proporcionar una diferència de potencial mesurable, alhora que anul·la el soroll comú. Aquesta etapa també té un guany de 1000, amplificant el típic mV a una tensió més llegible.

El guany del circuit de 1000 per a l'amplificador d'instrumentació es calcula mitjançant les equacions mostrades. El guany de l’etapa 1 de l’amplificador d’instrumentació es calcula amb (2) i el guany de l’etapa 2 de l’amplificador d’instrumentació es calcula amb (3). K1 i K2 es van calcular de manera que no diferissin entre si en un valor superior a 15.

Per obtenir un guany de 1000, K1 es podria establir a 40 i K2 es podria establir a 25. Es poden calcular tots els valors de la resistència, però aquest amplificador d'instrumentació en particular va utilitzar els valors de la resistència següents:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

Pas 2: dissenyar i construir el filtre de tacs

La següent etapa és un filtre de graella per eliminar el senyal de 60 Hz que prové de la presa de corrent.

Al filtre de graella, el valor de la resistència de R1 es calcula amb (4), el valor de R2 amb (5) i el valor de R3 amb (6). El factor de qualitat del circuit, Q, s'estableix en 8, ja que proporciona un marge d'error raonable alhora que és realista. El valor Q es pot calcular mitjançant (7). L'última equació de govern del filtre de graella s'utilitza per calcular l'amplada de banda i es descriu a (8). A més del factor de qualitat de 8, el filtre de ranura tenia altres especificacions de disseny presents. Aquest filtre està dissenyat per obtenir un guany d’1 perquè no alteri el senyal, mentre que elimina el senyal de 60 Hz.

Segons aquestes equacions, R1 = 11,0524 kΩ, R2 = 2,829 MΩ, R3 = 11,009 kΩ i C1 = 15 nF

Pas 3: dissenyar i construir el filtre de pas baix Butterworth de segon ordre

La fase final és un filtre de pas baix per eliminar tots els senyals que es poden produir per sobre del component de freqüència més alta d’una ona ECG, com ara el soroll WiFi, i altres senyals ambientals que poden distreure el senyal d’interès. El punt -3dB per a aquesta etapa hauria d’estar al voltant o a prop de 150 Hz, ja que el rang estàndard de senyals presents en un interval d’ona ECG va de 0,05 Hz a 150 Hz.

En dissenyar el filtre Butterworth de segon ordre de pas baix, el circuit es torna a configurar per obtenir un guany d'1, cosa que permetia un disseny de circuits més senzill. Abans de realitzar qualsevol altre càlcul, és important tenir en compte que la freqüència de tall desitjada del filtre de pas baix s'estableix a 150 Hz. El més fàcil és començar calculant el valor del condensador 2, C2, ja que altres equacions depenen d’aquest valor. C2 es pot calcular mitjançant (9). A partir del càlcul de C2, C1 es pot calcular amb (10). En el cas d’aquest filtre de pas baix, els coeficients a i b es defineixen on a = 1.414214, i b = 1. El valor de la resistència de R1 es calcula amb (11) i el valor de la resistència de R2 es calcula amb (12).

Es van utilitzar els valors següents:

R1 = 13,842 kΩ

R2 = 54,36 kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

Pas 4: configureu el programa LabVIEW utilitzat per a l'adquisició i l'anàlisi de dades

A continuació, es pot utilitzar el programa informàtic LabView per crear una tasca que crearà una representació gràfica d’un batec del cor a partir d’un senyal d’ECG i calcularà la freqüència cardíaca a partir del mateix senyal. El programa LabView ho aconsegueix acceptant primer una entrada analògica des d’una placa DAQ, que també actua com a convertidor analògic a digital. Aquest senyal digital és analitzat i dibuixat posteriorment, on el gràfic mostra la representació gràfica del senyal que s’introdueix a la placa DAQ. La forma d'ona del senyal s'analitza prenent el 80% dels valors màxims del senyal digital que s'accepta i, a continuació, utilitza una funció de detector de pics per detectar aquests pics del senyal. Simultàniament, el programa pren la forma d'ona i calcula la diferència de temps entre els pics de la forma d'ona. La detecció de pics es combina amb valors d’acompanyament de 1 o 0, on 1 representa un pic per crear un índex de la ubicació dels pics, i aquest índex s’utilitza en conjuntura amb la diferència de temps entre pics per calcular matemàticament la freqüència cardíaca en pulsacions per minut (BPM). Es mostra el diagrama de blocs que es va utilitzar al programa LabView.

Pas 5: Assemblea completa

Un cop hàgiu construït tots els circuits i el programa LabVIEW i us assegureu que tot funciona correctament, esteu a punt per enregistrar un senyal d’ECG. A la imatge es mostra un possible esquema del conjunt del sistema de circuits.

Connecteu l'elèctrode positiu al canell dret i una de les entrades de l'amplificador d'instrumentació encerclades i l'elèctrode negatiu al canell esquerre i l'altra entrada d'amplificador d'instrumentació tal com es mostra a la imatge. L’ordre d’entrada d’elèctrodes no té importància. Finalment, col·loqueu un elèctrode de terra al turmell i connecteu-lo a terra del circuit. Enhorabona, heu completat tots els passos necessaris per enregistrar el senyal ECG.