ECG digital i monitor de ritme cardíac: 8 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 l’alimentació de la bateria i altres tècniques d’aïllament adequades

Un electrocardiograma (ECG) registra els senyals elèctrics durant el cicle cardíac. Cada vegada que el cor batega, hi ha un cicle de despolarització i hiper polarització de les cèl·lules del miocardi. La despolarització i la hiper polarització es poden registrar mitjançant elèctrodes i els metges llegeixen aquesta informació per obtenir més informació sobre el funcionament del cor. Un ECG pot determinar un infart de miocardi, fibril·lació auricular o ventricular, taquicàrdia i bradicàrdia [1]. Després de determinar quin és el problema a partir de l’ECG, els metges poden diagnosticar i tractar amb èxit el pacient. Seguiu els passos següents per aprendre a fabricar el vostre propi dispositiu de gravació d’electrocardiograma.

Pas 1: materials

Components del circuit:

• Cinc amplificadors operatius UA741
• Resistències
• Condensadors
• Filferros de pont
• Tauler DAQ
• Programari LabVIEW

Equips de prova:

• Generador de funcions
• Alimentació de corrent continu
• Oscil·loscopi
• Cables BNC i divisor en T.
• Cables de pont
• Clips de cocodril
• Taps de plàtan

Pas 2: amplificador d'instrumentació

La primera etapa del circuit és un amplificador d'instrumentació. Això amplifica el senyal biològic de manera que es poden distingir els diferents components de l’ECG.

El diagrama de circuits per a l'amplificador d'instrumentació es mostra a la part superior. El guany de la primera etapa d’aquest circuit es defineix com K1 = 1 + 2 * R2 / R1. El guany de la segona etapa del circuit es defineix com K2 = R4 / R3. El guany global de l'amplificador d'instrumentació és K1 * K2. El guany desitjat per a aquest projecte va ser d'aproximadament 1.000, de manera que es va escollir K1 per 31 i K2 per 33. Els valors de resistència per a aquests guanys es mostren més amunt al diagrama del circuit. Podeu utilitzar els valors de resistència que es mostren més amunt o podeu modificar-los per assolir el guany desitjat. **

Un cop hàgiu triat els valors dels components, el circuit es pot construir a la taula de control. Per simplificar les connexions del circuit a la placa, el carril horitzontal negatiu superior es va configurar com a terra, mentre que els dos carrils horitzontals de la part inferior es van establir a +/- 15V respectivament.

El primer amplificador operatiu es va col·locar al costat esquerre de la placa per deixar espai a la resta de components. Els fitxers adjunts es van afegir per ordre cronològic dels pins. Això facilita el seguiment de les peces que s’han afegit o no. Una vegada que tots els pins es completen per a l'ampli operatiu 1, es pot col·locar el següent amplificador operatiu. Una vegada més, assegureu-vos que sigui relativament a prop per deixar espai. Es va completar el mateix procés de pin cronològic per a tots els amplificadors operatius fins que es va completar l'amplificador d'instrumentació.

A continuació, es van afegir condensadors de derivació, a més del diagrama del circuit, per desfer-se de l'acoblament de corrent altern als cables. Aquests condensadors es van col·locar en paral·lel amb el subministrament de tensió de CC i es van posar a terra al carril negatiu horitzontal superior. Aquests condensadors haurien d’estar entre 0,1 i 1 microFarad. Cada amplificador operatiu té dos condensadors de derivació, un per al pin 4 i un per al pin 7. Els dos condensadors de cada amplificador operatiu han de tenir el mateix valor, però poden variar d'un amplificador operatiu a amplificador operatiu.

Per provar l'amplificació, es va connectar un generador de funcions i un oscil·loscopi a l'entrada i sortida de l'amplificador respectivament. El senyal d’entrada també es va connectar a l’oscil·loscopi. Es va utilitzar una ona sinusoïdal simple per determinar l'amplificació. Introduïu la sortida del generador de funcions als dos terminals d'entrada de l'amplificador d'instrumentació. Configureu l'oscil·loscopi per mesurar la relació del senyal de sortida al senyal d'entrada. El guany d’un circuit en decibels és Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). Per a un guany de 1.000, el guany en decibels és de 60 dB. Mitjançant l'oscil·loscopi, podeu determinar si el guany del vostre circuit construït compleix les vostres especificacions o si heu de canviar alguns valors de resistència per millorar el vostre circuit.

Una vegada que l’amplificador d’instrumentació estigui correctament muntat i funcionant, podeu passar al filtre de graella.

** Al diagrama de circuits anterior, R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Pas 3: filtre de tacs

L’objectiu del filtre d’escotadura és eliminar el soroll de la font d’alimentació de paret de 60 Hz. Un filtre de tacs atenua el senyal a la freqüència de tall i passa freqüències per sobre i per sota. Per a aquest circuit, la freqüència de tall desitjada és de 60 Hz.

Les equacions de govern del diagrama de circuits que es mostren més amunt són R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) i R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), on Q és un factor de qualitat i w és 2 * pi * (freqüència de tall). Un factor de qualitat de 8 proporciona valors de resistència i condensador en un rang raonable. Es pot suposar que els valors del condensador són iguals. Per tant, podeu escollir el valor del condensador disponible als vostres kits. Els valors de la resistència que es mostren al circuit anterior són per a una freqüència de tall de 60 Hz, un factor de qualitat de 8 i un valor del condensador de 0,22 uF.

Com que els condensadors s’afegeixen en paral·lel, dos condensadors del valor escollit C es van col·locar en paral·lel per aconseguir un valor de 2C. A més, es van afegir condensadors de derivació a l'amplificador operatiu.

Per provar el filtre de graella, connecteu la sortida del generador de funcions a l'entrada del filtre de graella. Observeu l'entrada i la sortida del circuit en un oscil·loscopi. Per tenir un filtre de tall efectiu, haureu de tenir un guany inferior o igual a -20 dB a la freqüència de tall. Com que els components no són ideals, això pot ser difícil d’aconseguir. És possible que els valors calculats de la resistència i del condensador no us proporcionin el guany desitjat. Això requerirà que feu canvis als valors de la resistència i del condensador.

Per fer-ho, concentreu-vos en un component a la vegada. Augmenteu i reduïu el valor d'un sol component sense canviar-ne cap altre. Observeu els efectes que això té sobre el guany del circuit. Això pot requerir molta paciència per aconseguir el guany desitjat. Recordeu, podeu afegir resistències en sèrie per augmentar o disminuir els valors de les resistències. El canvi que més va millorar el nostre guany va ser augmentar un dels condensadors a 0,33 uF.

Pas 4: filtre de pas baix

El filtre de pas baix elimina el soroll de freqüència més alta que pot interferir amb el senyal ECG. Un límit de pas baix de 40 Hz és suficient per captar informació de forma d'ona ECG. No obstant això, alguns components de l’ECG superen els 40 Hz. També es podria utilitzar un tall de 100 Hz o 150 Hz [2].

El filtre de pas baix construït és un filtre Butterworth de segon ordre. Com que el guany del nostre circuit està determinat per l'amplificador d'instrumentació, volem un guany d'1 dins de la banda per al filtre de pas baix. Per obtenir un guany d'1, RA està en curtcircuit i RB està obert en el diagrama del circuit anterior [3]. Al circuit, C1 = 10 / (fc) uF, on fc és la freqüència de tall. C1 ha de ser inferior o igual a C2 * a ^ 2 / (4 * b). Per a un filtre Butterworth de segon ordre, a = sqrt (2) i b = 1. Connectant els valors de a i b, l'equació de C2 es simplifica a C1 / 2 o és igual. Llavors R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a ^ 2 * C2 ^ 2 - 4 * b * C1 * C2))] i R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2), on w = 2 * pi * fc. Es van completar els càlculs d’aquest circuit per tal de proporcionar un tall de 40Hz. Els valors de resistència i condensador que compleixen aquestes especificacions es mostren al diagrama de circuits anterior.

L'amplificador d'operacions es va col·locar a la part més dreta de la placa, ja que després no s'afegiran altres components. Es van afegir resistències i condensadors a l'amplificador operatiu per completar el circuit. També es van afegir condensadors de derivació a l'amplificador operatiu. El terminal d'entrada s'ha deixat buit, ja que l'entrada provindrà del senyal de sortida del filtre de graella. No obstant això, a efectes de proves, es va col·locar un cable al pin d'entrada per tal de poder aïllar el filtre de pas baix i provar-lo individualment.

Es va utilitzar una ona sinusoïdal del generador de funcions com a senyal d'entrada i es va observar a diferents freqüències. Observeu tant els senyals d’entrada com de sortida d’un oscil·loscopi i determineu el guany del circuit a diferents freqüències. Per a un filtre de pas baix, el guany a la freqüència de tall ha de ser -3db. Per a aquest circuit, el tall hauria de produir-se a 40 Hz. Les freqüències inferiors a 40Hz haurien de tenir una atenuació poca o nul·la en la seva forma d’ona, però a mesura que la freqüència augmenta per sobre de 40 Hz, el guany hauria de continuar rodant.

Pas 5: Muntatge de les etapes del circuit

Un cop hàgiu construït cada etapa del circuit i provades de manera independent, podeu connectar-les totes. La sortida de l’amplificador d’instrumentació hauria d’estar connectada a l’entrada del filtre de graella. La sortida del filtre de graella s’hauria de connectar a l’entrada del filtre de pas baix.

Per provar el circuit, connecteu l'entrada del generador de funcions a l'entrada de l'amplificador de la instrumentació. Observeu l'entrada i la sortida del circuit en un oscil·loscopi. Podeu provar amb una ona ECG preprogramada des del generador de funcions o amb una ona sinusoïdal i observar els efectes del vostre circuit. A la imatge anterior de l'oscil·loscopi, la corba groga és la forma d'ona d'entrada i la corba verda és la sortida.

Un cop hàgiu connectat totes les etapes del circuit i demostrat que funciona correctament, podeu connectar la sortida del vostre circuit a la placa DAQ i començar a programar a LabVIEW.

Pas 6: Programa LabVIEW

El codi LabVIEW és per detectar els batecs per metre d'una ona ECG simulada a diferents freqüències. Per programar a LabVIEW primer heu d’identificar tots els components. Cal configurar i convertir un convertidor analògic a digital, també conegut com a placa d’adquisició de dades (DAQ), perquè funcioni de forma contínua. El senyal de sortida del circuit està connectat a l'entrada de la placa DAQ. El gràfic de formes d'ona del programa LabVIEW està connectat directament a la sortida de l'assistent DAQ. La sortida de les dades DAQ també es dirigeix a l’identificador màxim / mínim. El senyal passa a través d’un operador aritmètic de multiplicació. L'indicador numèric de 0,8 s'utilitza per calcular el valor llindar. Quan el senyal supera els 0,8 * Màxim, es detecta un pic. Sempre que es trobava aquest valor, s'emmagatzemava a la matriu d'índex. Els dos punts de dades s'emmagatzemen a la matriu d'índex i s'introdueixen a l'operador aritmètic de restes. El canvi de temps es va trobar entre aquests dos valors. Llavors, per calcular la freqüència cardíaca, 60 es divideix per la diferència horària. Un indicador numèric, que es mostra al costat del gràfic de sortida, emet la freqüència cardíaca en pulsacions per minut (bpm) del senyal d’entrada. Una vegada que el programa estigui configurat, hauria de posar-se dins d'un bucle while continu. Diferents entrades de freqüència donen valors de bpm diferents.

Pas 7: recopileu dades ECG

Ara podeu introduir un senyal ECG simulat al vostre circuit i enregistrar dades al programa LabVIEW. Canvieu la freqüència i l'amplitud de l'ECG simulat per veure com afecta això a les vostres dades enregistrades. A mesura que canvieu la freqüència, hauríeu de veure un canvi en la freqüència cardíaca calculada. Heu dissenyat amb èxit un monitor d’ECG i de freqüència cardíaca.

Pas 8: Millores addicionals

El dispositiu construït funcionarà bé per adquirir senyals ECG simulats. Tanmateix, si voleu enregistrar senyals biològics (assegureu-vos de seguir les precaucions de seguretat adequades), cal fer modificacions addicionals als circuits per millorar la lectura del senyal. S'ha d'afegir un filtre de pas alt per eliminar els artefactes de desplaçament de CC i baixa freqüència. El guany de l'amplificador d'instrumentació també s'ha de reduir en deu vegades per mantenir-se dins del rang útil per LabVIEW i els amplificadors operatius.

Fonts

[1] S. Meek i F. Morris, “Introducció. II - terminologia bàsica. ", BMJ, vol. 324, núm. 7335, pàgines 470-3, febrer de 2002.

[2] Chia-Hung Lin, Característiques del domini de freqüència per a la discriminació de cops d’ECG mitjançant un classificador gris basat en l’anàlisi relacional, a Informàtica i matemàtiques amb aplicacions, volum 55, número 4, 2008, pàgines 680-690, ISSN 0898-1221, [3] "Filtre de segon ordre | Disseny de filtres de pas baix de segon ordre ". Tutorials bàsics d'electrònica, 9 de setembre de 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…