Disseny d'un circuit i monitor digital ECG: 5 passos

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

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

L’objectiu d’aquest projecte és construir un circuit que pugui amplificar i filtrar un senyal d’ECG, també conegut com a electrocardiograma. Es pot utilitzar un ECG per determinar la freqüència cardíaca i el ritme cardíac, ja que és capaç de detectar els senyals elèctrics que passen per diverses parts del cor durant les diferents etapes del cicle cardíac. Aquí fem servir un amplificador d’instrumentació, un filtre de ranura i un filtre de pas baix per amplificar i filtrar l’ECG. A continuació, mitjançant LabView, es calculen els temps per minut i es mostra una representació gràfica de l’ECG. El producte acabat es pot veure més amunt.

Pas 1: amplificador d'instrumentació

El guany necessari per a l'amplificador d'instrumentació és de 1000 V / V. Això permetria una amplificació suficient del senyal entrant que és molt menor. L’amplificador d’instrumentació es divideix en dues parts, Etapa 1 i Etapa 2. El guany de cada etapa (K) ha de ser similar, de manera que, multiplicat junt, el guany sigui al voltant de 1000. Les equacions següents s’utilitzen per calcular el guany.

K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

K2 = -R4 / R3

A partir d’aquestes equacions, es van trobar els valors de R1, R2, R3 i R4. Per construir el circuit que es veu a les imatges, es van utilitzar tres amplificadors operacionals i resistències uA741. Els amplificadors operatius s’alimenten amb 15V des d’una font d’alimentació de corrent continu. L'entrada de l'amplificador d'instrumentació estava connectada a un generador de funcions i la sortida a un oscil·loscopi. Després, es va fer un escombrat de corrent altern i es va trobar el guany de l’amplificador d’instrumentació, tal com es pot veure a la trama "Guany de l’amplificador d’instrumentació" anterior. Finalment, el circuit es va recrear a LabView, on es va fer una simulació del guany, com es pot veure a la trama negra. Els resultats van confirmar que el circuit funcionava correctament.

Pas 2: filtre de tacs

El filtre d’escot s’utilitza per eliminar el soroll que es produeix a 60 Hz. Els valors dels components es poden calcular mitjançant les equacions següents. Es va utilitzar un factor de qualitat (Q) de 8. C es va triar tenint en compte els condensadors disponibles.

R1 = 1 / (2 * Q * ω * C)

R2 = 2 * Q / (ω * C)

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

Es van trobar els valors de la resistència i del condensador i es va construir el circuit anterior, allà es poden veure els valors calculats. L'amplificador operatiu estava alimentat per una font d'alimentació de CC, amb l'entrada connectada a un generador de funcions i la sortida a un oscil·loscopi. L'execució d'un escombrat de CA va resultar en el diagrama "Escombratge de filtre de tall Notch" anterior, que mostrava que s'havia eliminat una freqüència de 60 Hz. Per confirmar-ho, es va executar una simulació LabView que va confirmar els resultats.

Pas 3: filtre de pas baix

S'utilitza un filtre de pas baix Butterworth de segon ordre, amb una freqüència de tall de 250Hz. Per resoldre els valors de la resistència i del condensador, es van utilitzar les equacions següents. Per a aquestes equacions, la freqüència de tall en Hz es va canviar per rad / s, que es va trobar a 1570,8. Es va utilitzar un guany de K = 1. Els valors per a i b es van proporcionar a 1.414214 i 1 respectivament.

R1 = 2 / (wc (a C2 + sqrt (a ^ 2 + 4 b (K - 1)) C2 ^ 2 - 4 b C1 C2))

R2 = 1 / (b C1 C2 R1 wc ^ 2)

R3 = K (R1 + R2) / (K - 1)

R4 = K (R1 + R2)

C1 = (C2 (a ^ 2 + 4 b (K-1)) / (4 b)

C2 = (10 / fc)

Un cop calculats els valors, es va construir el circuit amb els valors, que es poden veure en una de les imatges anteriors. Cal tenir en compte que, ja que s’utilitzava un guany d’1, R3 es va substituir per un circuit obert i R4 per un curtcircuit. Un cop muntat el circuit, l’amplificador operatiu es va alimentar amb 15V des d’una font d’alimentació de CC. De manera similar a la resta de components, l'entrada i la sortida es van connectar a un generador de funcions i un oscil·loscopi respectivament. Es va crear un dibuix de la barreja de corrent altern, que es mostra al "filtre de pas baix de barrida de corrent altern". La trama en negre a la simulació del circuit LabView, confirmant els nostres resultats.

Pas 4: LabVIEW

El programa LabVIEW que es mostra a la imatge s’utilitza per calcular pulsacions per minut i per mostrar una representació visual de l’ECG d’entrada. L’assistent DAQ adquireix el senyal d’entrada i estableix els paràmetres de mostreig. A continuació, el gràfic de forma d’ona representa l’entrada que el DAQ rep a la IU per mostrar-la a l’usuari. Es fan diverses anàlisis sobre les dades d'entrada. Els valors màxims de les dades d’entrada es troben mitjançant l’identificador màxim / mínim i els paràmetres per detectar pics s’estableixen mitjançant la detecció de pics. Utilitzant una matriu d'índex de les ubicacions dels pics, el temps entre els valors màxims donats pel component Canvi de temps i diverses operacions aritmètiques, es calcula el BPM i es mostra com a sortida numèrica.

Pas 5: Circuit completat

Un cop connectats tots els components, es va provar el sistema complet amb un senyal ECG simulat. Després, el circuit es va utilitzar per filtrar i amplificar un ECG humà amb els resultats mostrats a través del programa LabView esmentat. Els elèctrodes estaven units al canell dret, al canell esquerre i al turmell esquerre. El canell esquerre i el canell dret estaven connectats a les entrades de l'amplificador d'instrumentació, mentre que el turmell esquerre estava connectat a terra. La sortida del filtre de pas baix es va connectar a l'Assistent DAQ. Utilitzant el mateix diagrama de blocs LabView d’abans, es va executar el programa. Amb el pas de l’ECG humà, es va veure un senyal clar i estable des de la sortida del sistema complet, que es pot veure a la imatge superior.