Monitor d'ECG i ritme cardíac: 7 passos (amb imatges)

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.

Una de les eines de diagnòstic més importants que s’utilitzen per detectar aquestes afeccions és l’electrocardiograma (ECG). Un electrocardiograma funciona traçant l'impuls elèctric a través del cor i transmetent-lo de nou a la màquina [1]. El senyal es recull dels elèctrodes col·locats al cos. La col·locació dels elèctrodes és crucial per captar els senyals fisiològics, ja que funcionen registrant la diferència de potencial a tot el cos. La col·locació estàndard dels elèctrodes consisteix a utilitzar el triangle Einthoven. Aquí és on es col·loca un elèctrode al braç dret, al braç esquerre i a la cama esquerra. La cama esquerra actua com a terra dels elèctrodes i capta el soroll de freqüència del cos. El braç dret té un elèctrode negatiu i l’esquerra té un elèctrode positiu per calcular la diferència de potencial al pit i, per tant, captar l’energia elèctrica del cor [2]. L’objectiu d’aquest projecte era crear un dispositiu que pugui adquirir amb èxit un senyal d’ECG i reprodueix clarament el senyal sense soroll i amb l’addició d’una mesura de la freqüència cardíaca.

Pas 1: materials i eines

• Diversos resistors i condensadors
• Taula de pa
• Generador de funcions
• Oscil·loscopi
• Alimentació de corrent continu
• Amplificadors operatius
• Ordinador amb LABView instal·lat
• Cables BNC
• Ajudant DAQ

Pas 2: Creeu un amplificador d'instrumentació

Per tal d'amplificar adequadament el senyal bioelèctric, el guany global de l'amplificador d'instrumentació de dues etapes hauria de ser de 1000. Cada etapa es multiplica per obtenir el guany global i les equacions utilitzades per calcular les etapes individuals es mostren a continuació.

Guany de la fase 1: K1 = 1 + 2 * R2 / R1 Guany de la fase 2: K2 = -R4 / R3

Utilitzant les equacions anteriors, els valors de resistència que vam utilitzar van ser R1 = 10kΩ, R2 = 150kΩ, R3 = 10kΩ i R4 = 33kΩ. Per assegurar-vos que aquests valors proporcionaran la sortida desitjada, podeu simular-lo en línia o provar-lo amb un oscil·loscopi després de construir l'amplificador físic.

Després de connectar les resistències seleccionades i els amplificadors operatius a la placa de configuració, haureu d’alimentar els amplificadors operatius ± 15 V des d’una font d’alimentació de corrent continu. A continuació, connecteu el generador de funcions a l'entrada de l'amplificador d'instrumentació i l'oscil·loscopi a la sortida.

A la foto de dalt es mostra l’amplificador d’instrumentació complet que es veurà a la taula de treball. Per comprovar que funciona correctament, configureu el generador de funcions perquè produeixi una ona sinusoïdal a 1 kHz amb una amplitud de pic a pic de 20 mV. La sortida de l'amplificador de l'oscil·loscopi hauria de tenir una amplitud de pic a pic de 20 V, ja que hi ha un guany de 1000, si funciona correctament.

Pas 3: Creeu un filtre de tall

A causa del soroll de la línia elèctrica, es necessitava un filtre per filtrar el soroll a 60Hz, que és el soroll de la línia elèctrica als Estats Units. S'ha utilitzat un filtre de graella ja que filtra una freqüència específica. Les equacions següents es van utilitzar per calcular els valors de la resistència. Un factor qualitatiu (Q) de 8 va funcionar bé i es van triar valors del condensador de 0,1 uF per facilitar la construcció. La freqüència de les equacions (representada com a w) és la freqüència d’inclinació 60Hz multiplicada per 2π.

R1 = 1 / (2QwC)

R2 = 2Q / (wC)

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

Utilitzant les equacions anteriors, els valors de resistència que vam utilitzar van ser R1 = 1,5 kΩ, R2 = 470 kΩ i R3 = 1,5 kΩ. Per assegurar-vos que aquests valors proporcionaran la sortida desitjada, podeu simular-lo en línia o provar-lo amb un oscil·loscopi després de construir l'amplificador físic.

La imatge superior mostra l'aspecte del filtre de tacs completat a la taula de proves. La configuració per a amplificadors operatius és la mateixa que l'amplificador d'instrumentació i el generador de funcions s'hauria de configurar per produir una ona sinusoïdal a 1 kHz amb una amplitud de pic a pic d'1V. Si realitzeu un AC Sweep, hauríeu de poder verificar que es filtren les freqüències al voltant dels 60Hz.

Pas 4: creeu un filtre de pas baix

Per tal de filtrar el soroll d'alta freqüència que no està relacionat amb l'ECG, es va crear un filtre de pas baix amb una freqüència de tall de 150 Hz.

R1 = 2 / (w [aC2 + sqrt (a2 + 4b (K-1)) C2 ^ 2-4b * C1 * C2)

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

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

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

R4 = K (R1 + R2)

Utilitzant les equacions anteriors, els valors de resistència que vam utilitzar van ser R1 = 12kΩ, R2 = 135kΩ, C1 = 0,01 µF i C2 = 0,068 µF. Els valors de R3 i R4 van acabar sent zero, ja que volíem que el guany, K, del filtre fos zero, per tant, en la configuració física hem utilitzat cables en lloc de resistències. Per assegurar-vos que aquests valors proporcionaran la sortida desitjada, podeu simular-lo en línia o provar-lo amb un oscil·loscopi després de construir l'amplificador físic.

Per construir el filtre físic, connecteu les resistències i condensadors escollits a l’amplificador operacional tal com es mostra a l’esquema. Enceneu l’ampli operatiu i connecteu el generador de funcions i l’oscil·loscopi de la mateixa manera que es descriu als passos anteriors. Configureu el generador de funcions perquè produeixi una ona sinusoïdal a 150Hz i amb una amplitud de pic a pic d’aproximadament 1 V. Atès que 150Hz hauria de ser la freqüència de tall, si el filtre funciona correctament, la magnitud hauria de ser de 3dB a aquesta freqüència. Això us indicarà si el filtre està configurat correctament.

Pas 5: connecteu tots els components junts

Després de construir cada component i provar-los per separat, es poden connectar tots en sèrie. Connecteu el generador de funcions a l'entrada de l'amplificador d'instrumentació i, a continuació, connecteu la sortida d'aquest a l'entrada del filtre de tacs. Torneu a fer-ho connectant la sortida del filtre de graella a l'entrada del filtre de pas baix. La sortida del filtre de pas baix s'hauria de connectar a l'oscil·loscopi.

Pas 6: configureu LabVIEW

La forma d'ona de batec cardíac de l'ECG es va capturar després mitjançant un assistent DAQ i LabView. Un assistent DAQ adquireix senyals analògics i defineix paràmetres de mostreig. Connecteu l'assistent DAQ al generador de funcions que emet un senyal cardíac arb i a l'ordinador amb LabView. Configureu LabView d'acord amb l'esquema que es mostra més amunt. L’assistent DAQ incorporarà l’ona cardíaca des del generador de funcions. Afegiu també el gràfic de forma d'ona a la configuració de LabView per veure el gràfic. Utilitzeu operadors numèrics per establir un llindar per al valor màxim. En l'esquema mostrat es va utilitzar el 80%. L'anàlisi de pics també s'hauria d'utilitzar per trobar ubicacions de pics i relacionar-los amb el canvi de temps. Multipliqueu la freqüència màxima per 60 per tal de calcular els batecs per minut i aquest número es va enviar al costat del gràfic.

Pas 7: Ara podeu gravar un ECG

[1] "Electrocardiograma - Centre d'informació cardíaca del Texas Heart Institute". [En línia]. Disponible: https://www.texasheart.org/HIC/Topics/Diag/diekg.cfm. [Consulta: 09-desembre-2017].

[2] "L'ECG condueix, polaritat i triangle d'Einthoven: el fisiòleg estudiantil". [En línia]. Disponible: https://thephysiologist.org/study-materials/the-ecg-leads-polarity-and-einthovens-triangle/. [Consulta: 10-desembre-2017].