Circuit d'electrocardiograma (ECG): 7 passos

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

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.

Som dos estudiants d’Enginyeria Biomèdica i, després de fer la primera classe de circuits, ens vam emocionar i vam decidir utilitzar els conceptes bàsics que vam aprendre per fer alguna cosa útil: mostrar un ECG i llegir la freqüència cardíaca. Aquest seria el circuit més complex que hem construït fins ara!

Alguns antecedents sobre un ECG:

Molts dispositius elèctrics s’utilitzen per mesurar i registrar l’activitat biològica al cos humà. Un d'aquests dispositius és l'electrocardiograma, que mesura els senyals elèctrics produïts pel cor. Aquests senyals proporcionen informació objectiva sobre l’estructura i la funció del cor. L’ECG es va desenvolupar per primera vegada el 1887 i va oferir als metges una nova manera de diagnosticar les complicacions cardíaques. Els electrocardiogrames poden detectar el ritme cardíac, la freqüència cardíaca, els atacs cardíacs, el subministrament inadequat de sang i oxigen al cor i les anomalies estructurals. Mitjançant un disseny de circuits senzill, es pot fer un ECG que pugui controlar totes aquestes coses.

Pas 1: materials

Construint el circuit

Els materials bàsics necessaris per construir el circuit es mostren en imatges. Inclouen:

• Taula de pa

• Amplificadors operacionals

  • Tots els amplificadors operatius utilitzats en aquest circuit són LM741.
  • Per obtenir més informació, consulteu el full de dades:
• Resistències
• Condensadors
• Filferros

• Elèctrodes enganxables

  Aquests només són necessaris si decidiu provar el circuit amb una persona real

El programari utilitzat inclou:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab o PSpice per a simulacions per comprovar valors

• sobresortir

  Això és molt recomanable en cas que necessiteu canviar alguna característica del vostre circuit. És possible que també hàgiu de jugar amb els números fins que trobeu valors de resistències i condensadors que estiguin fàcilment disponibles. Es desaconsellen els càlculs amb llapis i paper. Hem adjuntat els nostres càlculs de fulls de càlcul per fer-nos una idea

Prova del circuit

També necessiteu un equip electrònic més gran:

• Alimentació de corrent continu
• Taula DAQ per connectar el circuit a LabVIEW
• Generador de funcions per provar el circuit
• Oscil·loscopi per provar el circuit

Pas 2: amplificador d'instrumentació

Per què ho necessitem:

Construirem un amplificador d’instrumentació per tal d’amplificar la petita amplitud mesurada des del cos. L’ús de dos amplificadors a la nostra primera etapa ens permetrà cancel·lar el soroll creat pel cos (que serà el mateix en ambdós elèctrodes). Utilitzarem dues etapes d’aproximadament un guany igual: això protegeix l’usuari si el sistema està connectat a una persona evitant que tot el guany passi en un lloc. Com que l’amplitud normal d’un senyal d’ECG està entre 0,1 i 5 mV, volem que el guany de l’amplificador d’instrumentació sigui d’uns 100. Una tolerància acceptable al guany és del 10%.

Com construir-lo:

Utilitzant aquestes especificacions i les equacions que es veuen a la taula (imatges adjuntes), hem trobat que els nostres valors de resistència eren R1 = 1,8 kiloOhms, R2 = 8,2 kiloOhms, R3 = 1,5 kiloOhms i R4 = 15 kiloOhms. K1 és el guany de la primera etapa (OA1 i OA2) i K2 és el guany de la segona etapa (OA3). Els condensadors de derivació de capacitància iguals s’utilitzen a les fonts d’alimentació dels amplificadors operatius per eliminar el soroll.

Com provar-ho:

Qualsevol senyal que s’introdueixi a l’amplificador d’instrumentació hauria d’amplificar-se 100. Si s’utilitza dB = 20log (Vout / Vin), això significa una proporció de 40 dB. Podeu simular-ho a PSpice o CircuitLab o provar el dispositiu físic o tots dos.

La imatge de l’oscil·loscopi adjunta mostra un guany de 1000. Per a un ECG real, això és massa alt.

Pas 3: filtre de tacs

Per què ho necessitem:

Utilitzarem un filtre d’inclinació per eliminar el soroll de 60 Hz present a totes les fonts d’alimentació dels Estats Units.

Com construir-lo:

Establirem el factor de qualitat Q a 8, que proporcionarà una sortida de filtratge acceptable mantenint els valors dels components en un interval factible. També establim el valor del condensador a 0,1 μF de manera que els càlculs només afectin les resistències. Els valors de la resistència calculats i utilitzats es poden veure a la taula (en imatges) o a continuació

• Q = w / B

  defineix Q a 8 (o tria el teu en funció de les teves necessitats)

• w = 2 * pi * f

  utilitzeu f = 60 Hz

• C

  Estableix a 0,1 uF (o tria el teu propi valor entre els condensadors disponibles)

• R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

  Calcular. El nostre valor és d’1,66 kohm

• R2 = 2 * Q / (w * C)

  Calcular. El nostre valor és de 424,4 kohm

• R3 = R1 * R2 / (R1 + R2)

  Calcular. El nostre valor és d’1,65 kohm

Com provar-ho:

El filtre de tacs hauria de passar totes les freqüències sense canvis, excepte per a les de 60 Hz. Això es pot comprovar amb un escombrat de corrent altern. Un filtre amb un guany de -20 dB a 60 Hz es considera bo. Podeu simular-ho a PSpice o CircuitLab o provar el dispositiu físic o tots dos.

Aquest tipus de filtre de tacs pot generar una bona osca en l'escombrat de CA simulat, però una prova física va demostrar que els nostres valors originals van generar una osca a una freqüència inferior a la prevista. Per solucionar-ho, vam augmentar R2 en uns 25 kohm.

La imatge de l'oscil·loscopi mostra que el filtre redueix considerablement la magnitud del senyal d'entrada a 60 Hz. El gràfic mostra un escombrat de corrent altern per obtenir un filtre d’escotadura d’alta qualitat.

Pas 4: filtre de pas baix

Per què ho necessitem:

L'última etapa del dispositiu és un filtre de pas baix actiu. El senyal ECG està format per moltes formes d’ona diferents, que tenen cadascuna la seva pròpia freqüència. Volem captar tot això, sense cap soroll d'alta freqüència. Es selecciona la freqüència de tall estàndard per a monitors ECG de 150 Hz. (De vegades es trien límits superiors per controlar problemes cardíacs específics, però per al nostre projecte utilitzarem un tall normal).

Si voleu fer un circuit més senzill, també podeu utilitzar un filtre passiu baix. Això no inclourà un amplificador operatiu i consistirà només en una resistència en sèrie amb un condensador. El voltatge de sortida es mesurarà a través del condensador.

Com construir-lo:

El dissenyarem com un filtre Butterworth de segon ordre, que té coeficients a i b iguals a 1.414214 i 1, respectivament. Establir el guany a 1 converteix l’amplificador operacional en un seguidor de tensió. Les equacions i els valors escollits es mostren a la taula (en imatges) i a continuació.

• w = 2 * pi * f

  conjunt f = 150 Hz

• C2 = 10 / f

  Calcular. El nostre valor és 0,067 uF

• C1 <= C2 * (a ^ 2) / (4b)

  Calcular. El nostre valor és 0,033 uF

• R1 = 2 / (w * (aC2 + sqrt (a ^ 2 * C2 ^ 2-4b * C1 * C2)))

  Calcular. El nostre valor és de 18.836 kohm

• R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2)

  Calcular. El nostre valor és de 26.634 kohm

Com provar-ho:

El filtre ha de passar sense freqüència freqüències per sota del límit. Es pot provar mitjançant un escombrat de corrent altern. Podeu simular-ho a PSpice o CircuitLab o provar el dispositiu físic o tots dos.

La imatge de l'oscil·loscopi mostra la resposta del filtre a 100 Hz, 150 Hz i 155 Hz. El nostre circuit físic tenia un límit més proper als 155 Hz, demostrat per la proporció de -3 dB.

Pas 5: filtre de pas alt

Per què ho necessitem:

El filtre de pas alt s’utilitza de manera que no es registren freqüències inferiors a un determinat valor de tall, cosa que permet passar un senyal net. La freqüència de tall es tria com a 0,5 Hz (un valor estàndard per als monitors ECG).

Com construir-lo:

Els valors de la resistència i del condensador necessaris per aconseguir-ho es veuen a continuació. La nostra resistència real utilitzada va ser de 318,2 kohm.

• R = 1 / (2 * pi * f * C)

  • establir f = 0,5 Hz i C = 1 uF
  • Calculeu R. El nostre valor és de 318.310 kohm

Com provar-ho:

El filtre ha de passar sense freqüències les freqüències per sobre del límit. Es pot provar mitjançant un escombrat de corrent altern. Podeu simular-ho a PSpice o CircuitLab o provar el dispositiu físic o tots dos.

Pas 6: Configuració de LabVIEW

El diagrama de flux exposa el concepte de disseny de la part LabVIEW del projecte que registra el senyal a una freqüència de mostreig elevada i mostra la freqüència cardíaca (BPM) i l’ECG. El nostre circuit LabView conté els components següents: assistent DAQ, matriu d'índexs, operadors aritmètics, detecció de pics, indicadors numèrics, gràfic de forma d'ona, canvi de temps, identificador màxim / mínim i constants de nombre. L’assistent DAQ està configurat per prendre mostres contínues a una velocitat d’1 kHz, amb un nombre de mostres canviat entre 3 000 i 5 000 mostres per a la detecció de pics i la claredat del senyal.

Passeu el ratolí per sobre dels diferents components del diagrama del circuit per llegir on es troben a LabVIEW.

Pas 7: recopilació de dades

Ara que s’ha muntat el circuit, es poden recollir dades per veure si funciona. Envieu un ECG simulat a través del circuit a 1 Hz. El resultat hauria de ser un senyal d’ECG net on es puguin veure clarament el complex QRS, l’ona P i l’ona T. La freqüència cardíaca també hauria de mostrar 60 batecs per minut (ppm). Per provar encara més el circuit i la configuració de LabVIEW, canvieu la freqüència a 1,5 Hz i 0,5 Hz. La freqüència cardíaca hauria de canviar a 90 bpm i 30 bpm respectivament.

Perquè es mostrin amb precisió els ritmes cardíacs més lents, és possible que hàgiu d'ajustar la configuració de DAQ per mostrar més ones per gràfic. Això es pot fer augmentant el nombre de mostres.

Si decidiu provar el dispositiu en un humà, assegureu-vos que la font d'alimentació que utilitzeu per als amplificadors operatius limita el corrent a 0,015 mA. Hi ha diverses configuracions de plom acceptables, però hem escollit col·locar l’elèctrode positiu al turmell esquerre, l’elèctrode negatiu al canell dret i l’elèctrode de terra al turmell dret, tal com es veu a la imatge adjunta.

Mitjançant alguns conceptes bàsics de circuits i el nostre coneixement del cor humà, us hem mostrat com crear un dispositiu útil i divertit. Esperem que hàgiu gaudit del nostre tutorial.