ECG senzill i detector de freqüència cardíaca: 10 passos

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

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

Avui passarem pel disseny de circuits bàsics d’electrocardiografia (ECG) i crearem un circuit per amplificar i filtrar el senyal elèctric del vostre cor. Després, podem mesurar la freqüència cardíaca mitjançant el programari labVIEW. Durant tot el procés, donaré instruccions detallades sobre els elements del disseny de circuits i per què es van produir, així com una mica de fons biològic. La imatge del títol és del senyal elèctric del meu cor. Al final d'aquest instructiu, també podreu mesurar el vostre. Comencem!

L’ECG és una eina de diagnòstic útil per als professionals mèdics. Es pot utilitzar per diagnosticar multitud de malalties del cor, des de l’atac cardíac bàsic (infart de miocardi), fins a trastorns cardíacs més avançats, com la fibril·lació auricular, que les persones poden passar la majoria de la seva vida sense adonar-se’n. A cada batec del cor, el sistema nerviós autònom treballa dur per fer batre el cor. Envia senyals elèctrics al cor, que viatgen des del node SA fins al node AV, i després cap al ventricle esquerre i dret de manera sincronitzada, i finalment des de l’endocardi fins a les fibres epicàrdiques i purkinje, els cors són l’última línia de defensa. Aquest complex circuit biològic pot tenir problemes en qualsevol lloc del seu camí i l’ECG es pot utilitzar per diagnosticar aquests problemes. Podria parlar de biologia tot el dia, però ja hi ha un llibre sobre el tema, així que consulteu "Diagnòstic ECG a la pràctica clínica", de Nicholas Peters, Michael Gatzoulis i Romeo Vecht. Aquest llibre és extremadament fàcil de llegir i demostra la sorprenent utilitat d’un ECG.

Per crear l’ECG, necessitareu els components següents o substitucions acceptables.

• Per al disseny de circuits:

  • Taula de pa
  • Amplificadors OP x 5
  • Resistències
  • Condensadors
  • Filferros
  • Clips de cocodril o altres mètodes d’estimulació i mesura
  • Cables BNC
  • Generador de funcions
  • Oscil·loscopi
  • Font d'alimentació de CC o bateries si és útil

• Per a la detecció de la freqüència cardíaca:

  • LabView
  • Junta DAQ

• Per a la mesura del senyal biològic *

  • Elèctrodes
  • Clips de cocodril o cables de l'elèctrode

* Poso una nota d’advertència més amunt i parlaré una mica més dels perills dels components elèctrics per al cos humà. No connecteu aquest ECG a si mateix si no heu assegurat que utilitzeu tècniques d’aïllament adequades. La connexió de dispositius alimentats principalment com fonts d’alimentació, oscil·loscopis i ordinadors directament al circuit pot fer que flueixin grans corrents a través del circuit en cas d’augment de potència. Aïlleu el circuit de la xarxa elèctrica mitjançant l’ús de la bateria i altres tècniques d’aïllament.

A continuació, parlaré de la part divertida; Elements de disseny de circuits!

Pas 1: especificacions de disseny de circuits

Ara parlaré de disseny de circuits. No discutiré esquemes de circuits, ja que es donaran després d'aquesta secció. Aquesta secció és per a persones que volen entendre per què hem escollit els components que hem fet.

La imatge anterior, extreta del manual de laboratori de la Universitat Purdue, ens proporciona gairebé tot el que hem de saber per dissenyar un circuit bàsic d’ECG. Aquesta és la composició de freqüència d'un senyal d'ECG sense filtrar, amb una "amplitud" genèrica (eix y) que fa referència a un nombre sense dimensions amb finalitats comparatives. Ara parlem de disseny!

A. Amplificador d’instrumentació

L’amplificador d’instrumentació serà la primera etapa del circuit. Aquesta eina versàtil emmagatzema el senyal, redueix el soroll del mode comú i amplifica el senyal.

Estem prenent un senyal del cos humà. Alguns circuits us permeten utilitzar la font de mesura com a font d'alimentació, ja que hi ha una càrrega adequada disponible sense risc de danys. Tanmateix, no volem fer mal als nostres subjectes humans, de manera que hem de protegir el senyal que ens interessa mesurar. Un amplificador d’instrumentació permet emmagatzemar senyals biològics, ja que les entrades Op Amp tenen una impedància teòricament infinita (no és el cas, a la pràctica, però la impedància sol ser prou alta), cosa que significa que cap corrent (teòricament) pot fluir a l’entrada. terminals.

El cos humà té soroll. Els senyals dels músculs poden fer que aquest soroll es manifesti en senyals d’ECG. Per reduir aquest soroll, podem utilitzar un amplificador de diferències per reduir el soroll en mode comú. Essencialment, volem restar el soroll que hi ha als músculs de l'avantbraç en dues col·locacions d'elèctrodes. Un amplificador d’instrumentació inclou un amplificador diferencial.

Les senyals del cos humà són petites. Hem d’amplificar aquests senyals perquè es puguin mesurar a una resolució adequada mitjançant dispositius de mesura elèctrics. Un amplificador d'instrumentació proporciona el guany necessari per fer-ho. Consulteu l’enllaç adjunt per obtenir més informació sobre els amplificadors d’instrumentació.

www.electronics-tutorial.net/amplifier/instrumentation-amplifier/index.html

B. Filtre d'escot

Les línies elèctriques als EUA produeixen un "zumbit de xarxa" o "soroll de la línia elèctrica" a 60 Hz exactament. En altres països, això passa a 50 Hz. Podem veure aquest soroll mirant la imatge superior. Com que el nostre senyal ECG encara està una mica dins de la banda d’interès, volem eliminar aquest soroll. Per eliminar aquest soroll, es pot utilitzar un filtre d’escot, que redueix el guany a les freqüències dins de l’escot. És possible que algunes persones no estiguin interessades en les freqüències més altes de l’espectre ECG i puguin optar per crear un filtre de pas baix amb un límit inferior a 60 Hz. Tot i això, volíem equivocar-nos pel costat segur i rebre la major quantitat de senyal possible, de manera que es va triar un filtre de graella i un filtre de pas baix amb una freqüència de tall més alta.

Consulteu l’enllaç adjunt per obtenir més informació sobre els filtres de graella.

www.electronics-tutorials.ws/filter/band-st…

C. Filtre de pas baix de Butterworth VCVS de segon ordre

La composició de freqüència d’un senyal d’ECG només s’estén fins ara. Volem eliminar els senyals a freqüències més altes, ja que per als nostres propòsits són simplement soroll. Hi ha senyals del telèfon mòbil, del dispositiu de dents blaves o del portàtil a tot arreu, i aquests senyals causarien sorolls inacceptables al senyal ECG. Es poden eliminar amb un filtre de pas baix Butterworth. La nostra freqüència de tall escollida va ser de 220 Hz, que a la vista, era una mica alta. Si tornés a crear aquest circuit, escolliria una freqüència de tall molt inferior a aquesta i, fins i tot, podríeu experimentar amb una freqüència de tall inferior a 60 Hz i utilitzaria un filtre d’ordre superior.

Aquest filtre és de segon ordre. Això vol dir que el guany "es produeix" a un ritme de 40 db / dècada en lloc de 20 db / dècada com ho faria un filtre de primer ordre. Aquest desplaçament més pronunciat proporciona una major mitigació del senyal d'alta freqüència.

Es va triar un filtre Butterworth, ja que és "màximament pla" a la banda de pas, el que significa que no hi ha distorsió dins de la banda de pas. Si us interessa, aquest enllaç conté informació fantàstica per al disseny bàsic de filtres de segon ordre:

www.electronics-tutorials.ws/filter/second-…

Ara que hem parlat del disseny del circuit, podem començar la construcció.

Pas 2: construïu l'amplificador d'instrumentació

Aquest circuit emmagatzemarà memòria intermèdia, restarà el soroll del mode comú i amplificarà el senyal amb un guany de 100. L’esquema del circuit i les equacions de disseny que s’acompanyen es mostren a la part superior. Això es va crear amb el dissenyador OrCAD Pspice i es va simular amb Pspice. L'esquema surt una mica borrós quan es copia des d'OrCAD, així que em disculpo. He editat la imatge per esperar que alguns dels valors de la resistència siguin una mica més nítids.

Recordeu que a l’hora de crear circuits, s’han d’escollir valors raonables de resistència i capacitat de manera que es tinguin en compte la impedància pràctica de la font de tensió, la impedància pràctica del dispositiu de mesura de voltatge i la mida física de les resistències i condensadors.

Les equacions de disseny s’enumeren més amunt. Inicialment, volíem que el guany de l’amplificador d’instrumentació fos x1000 i vam crear aquest circuit per poder amplificar els senyals simulats. Tanmateix, en connectar-lo al nostre cos, hem volgut reduir el guany a 100 per raons de seguretat, ja que les plaques de suport no són exactament les interfícies de circuits més estables. Això es va fer mitjançant la resistència d'intercanvi en calent 4 per reduir-la en un factor de deu. L’ideal seria que el guany de cada etapa de l’amplificador d’instrumentació fos el mateix, però en canvi el nostre guany es va convertir en 31,6 per a l’etapa 1 i 3,16 per a l’etapa 2, donant un guany de 100. He adjuntat l’esquema del circuit per obtenir un guany de 100 en lloc de 1000. Encara veureu senyals simulats i biològics perfectament bé amb aquest nivell de guany, però pot ser que no sigui ideal per a components digitals amb una resolució baixa.

Tingueu en compte que, a l'esquema del circuit, tinc les paraules "entrada de terra" i "entrada positiva" dibuixades en text taronja. Accidentalment he col·locat la funció d’entrada on se suposa que hi ha el sòl. Si us plau, poseu el terreny on s'indica "entrada de terra" i la funció on s'indica "entrada positiva".

• Resum

  • Guany de la primera etapa: 31,6
  • Guany de la fase 2: 3,16 per motius de seguretat

Pas 3: construïu el filtre Notch

Aquest filtre d’inclinació elimina el soroll de 60 Hz de les línies elèctriques dels EUA. Com que volem que aquest filtre entri a 60 Hz exactament, és fonamental utilitzar els valors de resistència correctes.

Les equacions de disseny s’enumeren més amunt. Es va utilitzar un factor de qualitat de 8, que resulta en un pic més fort a la freqüència d’atenuació. Es va utilitzar una freqüència central (f0) de 60 Hz, amb un ample de banda (beta) de 2 rad / s per proporcionar atenuació a freqüències lleugerament diferents de la freqüència central. Recordem que la lletra grega omega (w) es troba en unitats de rad / s. Per convertir d’Hz a rad / s, hem de multiplicar la nostra freqüència central, 60 Hz, per 2 * pi. La beta també es mesura en rad / s.

• Valors per a equacions de disseny

  • w0 = 376,99 rad / s
  • Beta (B) = 2 rad / s
  • Q = 8
• A partir d’aquí es van triar valors raonables de resistència i capacitat per construir el circuit.

Pas 4: construïu el filtre de pas baix

Un filtre de pas baix s’utilitza per eliminar freqüències altes que no ens interessen mesurar, com ara senyals de telèfons mòbils, comunicació bluetooth i soroll WiFi. Un filtre actiu VCVS Butterworth de segon ordre proporciona un senyal màxim net (net) a la regió de pas de banda amb un desplaçament de -40 db / dècada a la regió d’atenuació.

Les equacions de disseny s’enumeren més amunt. Aquestes equacions són una mica llargues, així que recordeu-vos de comprovar les vostres matemàtiques. Tingueu en compte que els valors b i a s’escullen acuradament per proporcionar un senyal pla a la regió de greus i una atenuació uniforme a la regió de desplaçament. Per obtenir més informació sobre com es produeixen aquests valors, consulteu l'enllaç del pas 2, secció C, "filtre de pas baix".

L'especificació de C1 és bastant ambigua, ja que simplement és inferior a un valor basat en C2. Vaig calcular que fos inferior o igual a 22 nF, de manera que vaig triar 10 nF. El circuit funcionava bé i el punt de -3 db era molt proper als 220 Hz, de manera que no em preocuparia massa. Recordeu de nou que la freqüència angular (wc) en rad / s és igual a la freqüència de tall en Hz (fc) * 2pi.

• Restriccions de disseny

  • K (guany) = 1
  • b = 1
  • a = 1.4142
  • Freqüència de tall: 220 Hz

La freqüència de tall de 220 Hz semblava una mica elevada. Si tornés a fer-ho, és probable que l’acostés a 100 Hz, o fins i tot faria embolics amb un pas baix d’ordre superior amb un límit de 50 Hz. Us animo a provar diferents valors i esquemes.

Pas 5: connecteu l'amplificador d'instrumentació, el filtre de tall i el filtre de pas baix

Ara, simplement connecteu la sortida de l’amplificador d’instrumentació a l’entrada del filtre de tacs. A continuació, connecteu la sortida del filtre de ranura a l'entrada del filtre de pas baix.

També he afegit condensadors de derivació de la font d'alimentació de CC a terra per eliminar una mica de soroll. Aquests condensadors haurien de tenir el mateix valor per a cada Op-Amp i almenys 0,1 uF, però a part d’això, no dubteu a utilitzar qualsevol valor raonable.

Vaig intentar fer servir un petit circuit d’embolcall per "suavitzar" el senyal sorollós, però no funcionava com es volia i tenia poc temps, així que vaig desestimar aquesta idea i vaig utilitzar el processament digital. Aquest seria un pas extra si teniu curiositat.

Pas 6: engegueu el circuit, introduïu una forma d'ona i mesureu

Instruccions per alimentar el circuit i prendre mesures. Com que l'equipament de tothom és diferent, no hi ha cap manera senzilla de dir-vos com introduir i mesurar. He donat instruccions bàsiques aquí. Consulteu el diagrama anterior per obtenir un exemple de configuració.

1. Connecteu el generador de funcions a l'amplificador d'instrumentació.

   • Clip positiu a l'Op-Amp inferior al diagrama d'amplificador d'instrumentació
   • Clip negatiu a terra.
   • Reduïu a terra l’entrada de l’Op-Amp superior al diagrama de l’amplificador d’instrumentació. Això proporcionarà una referència per al senyal entrant. (En els senyals biològics, aquesta entrada serà un elèctrode amb la intenció de reduir el soroll en mode comú).

2. Connecteu el clip positiu de l’oscil·loscopi a la sortida a la fase final (sortida del filtre de pas baix).

   • clip positiu per a la sortida a l'etapa final
   • clip negatiu a terra
3. Connecteu la font d'alimentació de CC als rails, assegurant-vos que cada entrada d'alimentació de l'ampli-op estigui curta al rail al qual correspon.

4. Connecteu la terra de terra de la font d'alimentació de CC a un carril inferior restant, proporcionant una referència per al vostre senyal.

   reduïu el terra del rail inferior al terra del rail superior, cosa que us hauria de permetre netejar el circuit

Comenceu a introduir una ona i utilitzeu l'oscil·loscopi per prendre mesures. Si el vostre circuit funciona de la manera prevista, hauríeu de veure un guany de 100. Això significaria que el voltatge de pic a pic hauria de ser de 2 V per a un senyal de 20 mV. Si sou un generador de funcions com una forma d'ona cardíaca de luxe, proveu d'introduir-lo.

Embolleu amb freqüències i entrades per assegurar-vos que el filtre funcioni correctament. Proveu de provar cada etapa individualment i, a continuació, proveu el circuit en conjunt. He adjuntat un experiment de mostra on he analitzat la funció del filtre de tacs. Vaig notar una atenuació suficient de 59,5 Hz a 60,5 Hz, però hauria preferit tenir una mica més d’atenuació als punts de 59,5 i 60,5 Hz. Tot i això, el temps era essencial, així que vaig continuar i vaig pensar que podia eliminar el soroll digitalment més endavant. Aquí teniu algunes preguntes que voleu tenir en compte per al vostre circuit:

• El guany és de 100?
• Comproveu el guany a 220 Hz. És -3 db o s’acosta?
• Comproveu l’atenuació a 60 Hz. És prou alt? Encara proporciona certa atenuació a 60,5 i 59,5 Hz?
• A quina velocitat es dispara el filtre a partir de 220 Hz? És -40 db / dècada?
• Hi ha corrent entrant en alguna de les entrades? Si és així, aquest circuit no és adequat per a la mesura humana i és probable que hi hagi algun problema amb el vostre disseny o components.

Si el circuit funciona correctament, ja està a punt per seguir endavant. Si no, teniu alguna solució de problemes per fer. Comproveu la sortida de cada etapa individualment. Assegureu-vos que els vostres amplificadors operatius siguin alimentats i funcionals. Examineu la tensió de cada node fins que trobeu el problema amb el circuit.

Pas 7: mesura de la freqüència cardíaca de LabVIEW

LabVIEW ens permetrà mesurar la freqüència cardíaca mitjançant un diagrama de blocs lògics. Donat més temps, hauria preferit digitalitzar les dades jo mateix i crear un codi que determinés la freqüència cardíaca, ja que no requeriria ordinadors amb labVIEW instal·lat i una forta placa DAQ. A més, els valors numèrics de labVIEW no van aparèixer intuïtivament. Tot i això, aprendre labVIEW va ser una experiència valuosa, ja que utilitzar la lògica del diagrama de blocs és molt més fàcil que haver de codificar de manera dura la vostra pròpia lògica.

No hi ha molt a dir per a aquesta secció. Connecteu la sortida del circuit a la placa DAQ i connecteu la placa DAQ a l'ordinador. Creeu el circuit que es mostra a la imatge següent, premeu "córrer" i comenceu a recopilar dades. Assegureu-vos que el vostre circuit rep una forma d'ona.

Alguns paràmetres importants en això són:

• una freqüència de mostreig de 500 Hz i una mida de finestra de 2500 unitats significa que estem capturant dades de 5 segons per dins de la finestra. Això hauria de ser suficient per veure 4-5 batecs del cor en repòs i més durant l’exercici.
• Un màxim detectat de 0,9 va ser suficient per detectar la freqüència cardíaca. Tot i que sembla que es vegi gràficament, en realitat va trigar força temps a arribar a aquest valor. Haureu de deixar-vos anar amb això fins que calculeu amb exactitud els batecs del cor.
• Semblava que l’amplada de "5" era suficient. De nou, aquest valor es va modificar i no semblava tenir un sentit intuïtiu.
• L’entrada numèrica per calcular la freqüència cardíaca utilitza un valor de 60. Cada vegada que s’indica un batec del cor, passa pel circuit de nivell inferior i retorna un 1 cada cop que el cor batega. Si dividim aquest nombre per 60, bàsicament estem dient "divideix 60 pel nombre de pulsacions calculades a la finestra". Això tornarà la freqüència cardíaca, en batecs / min.

La imatge adjunta és del meu propi batec del cor a labVIEW. Va determinar que el meu cor bategava a 82 BPM. Em feia molta il·lusió tenir finalment aquest circuit funcionant!

Pas 8: Mesura humana

Si us heu demostrat que el vostre circuit és segur i funcional, podeu mesurar els vostres batecs. Utilitzant elèctrodes de mesura 3M, col·loqueu-los a les ubicacions següents i connecteu-los al circuit. Els cables del canell van a l'interior del canell, preferiblement on hi hagi poc o cap pèl. L’elèctrode de terra va a la part òssia del turmell. Mitjançant clips de cocodril, connecteu el cable positiu a l’entrada positiva, el negatiu a l’entrada negativa i l’elèctrode de terra al rail de terra (parar molta atenció que no sigui el rail de potència negatiu).

Última nota de repetició: "No es tracta d'un dispositiu mèdic. Només amb finalitats educatives utilitzant 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. Assumeix el risc de danys ocasionats ".

Assegureu-vos que l’oscil·loscopi estigui correctament connectat. Assegureu-vos que no flueix cap corrent a l’amplificador operatiu i que l’elèctrode de terra està unit a terra. Assegureu-vos que les mides de la finestra de l’oscil·loscopi siguin correctes. Vaig observar un complex QRS d'aproximadament 60 mV i vaig utilitzar una finestra de 5 s. Connecteu els clips de cocodril als seus respectius elèctrodes positius, negatius i de terra. Hauríeu de començar a veure una forma d'ona ECG al cap d'un parell de segons. Relaxeu-vos; no feu cap moviment, ja que el filtre encara pot captar senyals musculars.

Amb una configuració adequada del circuit, hauríeu de veure alguna cosa semblant a aquesta sortida al pas anterior. Aquest és el vostre propi senyal d’ECG. A continuació, tocaré el processament.

NOTA: Veureu diferents configuracions d’ECG de 3 elèctrodes en línia. Aquests també funcionarien, però poden donar formes d'ona invertides. Amb la configuració de l’amplificador diferencial en aquest circuit, aquesta configuració d’elèctrodes proporciona una forma d’ona complexa tradicional positiva-QRS.

Pas 9: processament del senyal

Així que us heu connectat a l’oscil·loscopi i podeu veure el complex QRS, però el senyal encara sembla sorollós. Probablement sigui com la primera imatge d’aquesta secció. Això és normal. Estem utilitzant un circuit en una placa oberta, amb un munt de components elèctrics que bàsicament actuen com petites antenes. Les fonts d’alimentació de CC són notòriament sorolloses i no hi ha cap blindatge de RF. Per descomptat, el senyal serà sorollós. Vaig fer un breu intent d’utilitzar un circuit de seguiment d’embolcalls, però em vaig quedar sense temps. Tot i això, és fàcil fer-ho de manera digital. Simplement agafeu una mitjana mòbil. L'única diferència entre el gràfic gris / blau i el gràfic negre / verd és que el gràfic negre / verd utilitza una mitjana mòbil de tensió en una finestra de 3 ms. Es tracta d'una finestra tan petita en comparació amb el temps entre ritmes, però fa que el senyal sembli molt més suau.

Pas 10: passos següents?

Aquest projecte va ser genial, però sempre es pot fer alguna cosa millor. Aquests són alguns dels meus pensaments. No deixeu de deixar el vostre a continuació!

• Utilitzeu una freqüència de tall inferior. Això hauria d’eliminar part del soroll present al circuit. Potser fins i tot jugueu amb només fer servir un filtre de pas baix amb un desplaçament fort.
• Soldeu els components i creeu alguna cosa permanent. Això hauria de reduir el soroll, més fresc i més segur.
• Digitalitzeu el senyal i emeteu-lo pel vostre compte, eliminant la necessitat d’una placa DAQ i permetent-vos escriure codi que us determinarà els batecs del cor en lloc de fer servir LabVIEW. Això permetrà a l'usuari quotidià detectar els batecs del cor sense necessitar un programa potent.

Projectes de futur?

• Creeu un dispositiu que mostri l'entrada directament en una pantalla (hmmmm raspberry pi i screen project?)
• Utilitzeu components que reduiran el circuit.
• Creeu un ECG portàtil tot en un amb pantalla i detecció de freqüència cardíaca.

Això conclou allò instructable. Gràcies per llegir. Deixa qualsevol suggeriment o suggeriment a continuació.