Gravació de senyals bioelèctrics: ECG i monitor de ritme cardíac: 7 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.

Un electrocardiograma (ECG) és una prova en què els electrodes superficials es col·loquen sobre un subjecte d’una manera específica per detectar i mesurar l’activitat elèctrica del cor del subjecte [1]. Un ECG té molts usos i pot funcionar per ajudar en el diagnòstic de malalties del cor, proves d’estrès i observació durant la cirurgia. Un ECG també pot detectar canvis en els batecs del cor, les arítmies, un atac de cor i moltes altres experiències i malalties [1] que també es descriuen a la declaració del problema anterior. El senyal cardíac mesurat per un ECG produeix tres formes d’ona diferents que representen una alimentació viva del cor en funcionament, que es mostren a la imatge superior.

L'objectiu d'aquest projecte és crear un dispositiu que pugui obtenir el senyal ECG d'un generador de sortida o humà i reproduir el senyal mentre elimina el soroll. La sortida del sistema també calcularà el BPM.

Comencem!

Pas 1: reuniu tots els materials

Per crear aquest ECG, crearem un sistema que consta de dues parts principals, el circuit i el sistema LabVIEW. El propòsit del circuit és assegurar-nos que rebem el senyal que volem. Hi ha molt soroll ambiental que pot ofegar el nostre senyal d’ECG, de manera que hem d’amplificar el senyal i filtrar qualsevol soroll. Després de filtrar i amplificar el senyal a través del circuit, podem enviar el senyal refinat a un programa LabVIEW que mostrarà la forma d'ona i calcularà el BPM. Els següents materials són necessaris per a aquest projecte:

- Components elèctrics de resistència, condensador i amplificador operacional (op-amps - UA741)

-Panera sense soldadura per a la construcció i proves

-Font d'alimentació DC per proporcionar energia als amplificadors operatius

-Generador de funcions per subministrar senyal bioelèctric

-Osciloscopi per veure el senyal d'entrada

-Tabla DAQ per convertir el senyal d’analògic a digital

- Programari LabVIEW per a l'observació del senyal de sortida

-Bnc i cables d’extrem variable

Pas 2: Dissenyar el circuit

Com acabem de comentar, és necessari filtrar i amplificar el nostre senyal. Per fer-ho, podem configurar 3 etapes diferents del nostre circuit. En primer lloc, hem d’amplificar el nostre senyal. Això es pot fer mitjançant un amplificador d'instrumentació. D’aquesta manera, el nostre senyal d’entrada es pot veure molt millor en el producte final. A continuació, hem de tenir un filtre de graella en sèrie amb aquest amplificador d’instrumentació. El filtre d’escot s’utilitzarà per eliminar el soroll de la nostra font d’energia. Després d'això, podem tenir un filtre de pas baix. Com que les lectures d’ECG solen ser de baixa freqüència, volem tallar totes les freqüències que es troben a una freqüència que està fora dels nostres límits de lectura d’ECG, de manera que fem servir un filtre de pas baix. Aquestes fases s’expliquen amb més detall en els passos següents.

Si teniu problemes amb el vostre circuit, és millor simular el vostre circuit en un programa en línia. D'aquesta manera, podeu comprovar si els càlculs dels valors de la resistència i del condensador són correctes.

Pas 3: Disseny de l'amplificador d'instrumentació

Per observar el senyal bioelèctric de manera més eficient, cal amplificar el senyal. Per a aquest projecte, guanyar per assolir en general és de 1000 V / V. Per assolir el guany especificat de l'amplificador d'instrumentació, els valors de resistència del circuit es van calcular mitjançant les següents equacions:

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

(Etapa 2) K2 = -R4 / R3

On es multipliquen cadascuna de les etapes per calcular el guany global. Els valors de resistència escollits per crear un guany de 1000 V / V són R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms i R4 = 330 kOhms. Utilitzeu la font d'alimentació de CC per donar un rang de tensió de +/- 15 V (mantenint el límit de corrent baix) per alimentar els amplificadors operatius del circuit físic. Si voleu comprovar els valors reals de les resistències o voleu aconseguir aquest guany abans de construir-lo, podeu simular el circuit mitjançant un programa com PSpice o CircuitLab en línia, o bé utilitzar un oscil·loscopi amb una tensió de senyal d’entrada determinada i comprovar si és cert guany després de construir un amplificador físic. Connecteu el generador de funcions i l’oscil·loscopi a l’amplificador per executar el circuit.

La foto superior mostra l'aspecte del circuit al programari de simulació PSpice. Per comprovar que el vostre circuit funciona correctament, proporcioneu una ona sinusoïdal de 10 mV a 10 kV a 1 kHz des del generador de funcions, a través del circuit i fins a l'oscil·loscopi. En l’oscil·loscopi s’hauria d’observar una ona sinusoïdal de 10 a 10 volts.

Pas 4: dissenyar el filtre Notch

Un problema específic a l’hora d’afrontar aquest circuit és el fet que les línies de subministrament elèctric dels Estats Units produeixen un senyal de soroll de 60 Hz. Per eliminar aquest soroll, el senyal d'entrada al circuit s'ha de filtrar a 60 Hz, i quina millor manera de fer-ho que amb un filtre de graella!

Un filtre de tacs (el circuit que es mostra més amunt) és un cert tipus de filtre elèctric que es pot utilitzar per eliminar una freqüència específica d’un senyal. Per eliminar el senyal de 60 Hz, hem calculat les següents equacions:

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Utilitzant un factor de qualitat (Q) de 8 per dissenyar un filtre decentment precís, una capacitat (C) de 0,033 uFarads per facilitar el muntatge i una freqüència central (w) de 2 * pi * 60 Hz. S’han calculat correctament els valors de les resistències R1 = 5.024 kOhms, R2 = 1.2861 MOhms i R3 = 5.004 kOhms i s’ha creat un filtre per eliminar una freqüència de 60 Hz del senyal bioelèctric d’entrada. Si voleu comprovar el filtre, podeu simular el circuit mitjançant un programa com PSpice o CircuitLab en línia, o bé utilitzar un oscil·loscopi amb una tensió de senyal d’entrada determinada i comprovar el senyal eliminat després de construir un amplificador físic. Connecteu el generador de funcions i l’oscil·loscopi a l’amplificador per executar el circuit.

La realització d’un escombrat de corrent altern amb aquest circuit en un interval de freqüències d’1 Hz a 1 kHz a un senyal de pic a pic d’1 V hauria de generar una característica de tipus “entallat” a 60 Hz a la trama de sortida, que s’elimina de l’entrada senyal.

Pas 5: dissenyar el filtre de pas baix

La fase final del circuit és el filtre de pas baix, específicament un filtre de pas baix de Butterworth de segon ordre. S’utilitza per aïllar el nostre senyal d’ECG. Les formes d'ona ECG solen estar dins dels límits de freqüència de 0 a ~ 100 Hz. Per tant, calculem els valors de la nostra resistència i del condensador en funció de la freqüència de tall de 100 Hz i un factor de qualitat de 8, que ens proporcionaria un filtre relativament precís.

R1 = 2 / (w [aC2 + sqrt (a2 + 4b (K-1))

C2 ^ 2-4b * C1 * C2) R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2)

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

Els valors que vam calcular van acabar sent R1 = 81,723kOhms, R2 = 120,92kOHms, C1 = 0,1 microFarads i C2 = 0,045 microFarads. Alimenteu els amplificadors operatius amb una tensió CC de + i - 15V. Si voleu comprovar el filtre, podeu simular el circuit mitjançant un programa com PSpice o CircuitLab en línia, o bé utilitzar un oscil·loscopi amb una tensió de senyal d’entrada determinada i comprovar el senyal eliminat després de construir un amplificador físic. Connecteu el generador de funcions i l’oscil·loscopi a l’amplificador per executar el circuit. A la freqüència de tall, hauríeu de veure una magnitud de -3 dB. Això indica que el vostre circuit funciona correctament.

Pas 6: Configuració de LabVIEW

Ara que s'ha creat el circuit, volem ser capaços d'interpretar el nostre senyal. Per fer-ho, podem utilitzar LabVIEW. Es pot utilitzar un assistent DAQ per adquirir el senyal del circuit. Després d'obrir LabVIEW, configureu el circuit tal com es mostra al diagrama anterior. L’assistent DAQ agafarà aquesta lectura d’entrada del circuit i el senyal anirà al gràfic de la forma d’ona. Això us permetrà veure la forma d’ona de l’ECG.

A continuació, volem calcular el BPM. La configuració anterior ho farà per vosaltres. El programa funciona prenent primer els valors màxims del senyal d'ECG entrant. El valor llindar ens permet detectar tots els nous valors que arriben i que arriben a un percentatge del nostre valor màxim (en aquest cas, el 90%). Les ubicacions d'aquests valors s'envien a la matriu d'indexació. Com que la indexació comença a 0, volem agafar el punt 0 i 1 i calcular el canvi de temps entre ells. Això ens proporciona el temps entre ritmes. A continuació, extrapolem aquestes dades per trobar el BPM. Concretament, es fa multiplicant la sortida de l'element dt i la sortida de la resta entre els dos valors de les matrius d'indexació, i després dividint per 60 (ja que estem convertint a minuts).

Pas 7: connecteu-ho tot i proveu-ho

Connecteu el circuit a l'entrada de la placa DAQ. Ara el senyal que heu introduït passarà pel circuit a la placa DAQ i el programa LabVIEW emetrà la forma d'ona i el BPM calculat.

Felicitats!