Circuit de colectare ECG: 5 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:46

AVIZ: Acesta nu este un dispozitiv medical. Aceasta este în scopuri educaționale numai folosind semnale simulate. Dacă utilizați acest circuit pentru măsurători reale ECG, vă rugăm să vă asigurați că circuitul și conexiunile circuit-instrument folosesc tehnici de izolare adecvate

Poate că cea mai răspândită măsurare fiziologică din industria medicală actuală este Electrocardiograma (ECG / EKG). Este greu să treci printr-un spital sau o cameră de urgență fără să auzi „beep-ul” tradițional al unui monitor de ritm cardiac sau să vezi forma de undă ECG rulând pe ecran în camera pacientului. Dar, ce este această măsurare care a devenit atât de asociată cu asistența medicală modernă?

Electrocardiograma este adesea confundată cu înregistrarea activității fizice a inimii, cu toate acestea, așa cum sugerează și numele, este de fapt o înregistrare a activității electrice, a depolarizării și repolarizării, a mușchilor inimii. Analizând forma de undă înregistrată, medicii sunt capabili să obțină o perspectivă asupra comportamentului sistemului electric al inimii. Unele diagnostice comune făcute din datele ECG includ: infarct miocardic, embolie pulmonară, aritmii și blocuri AV.

Următorul instructabil va descrie procesul și principiile utilizate pentru a construi un circuit electric de bază, care este capabil să colecteze un ECG cu ajutorul electrozilor de suprafață simpli, așa cum se face în spitale.

Pasul 1: Proiectați un amplificator de instrumentație

Primul element de circuit necesar pentru înregistrarea semnalului ECG este un amplificator de instrumentație. Acest amplificator are două efecte.

1. Se creează un tampon electronic între electrozii de înregistrare și restul circuitului. Acest lucru reduce consumul de curent necesar din electrozi la practic zero. Permite colectarea semnalului cu o distorsiune foarte mică cauzată de impedanța de intrare.

2. Amplifică diferențial semnalul înregistrat. Asta înseamnă că orice semnal comun la ambii electrozi de înregistrare nu va fi amplificat, în timp ce diferențele (părțile importante) vor fi.

În mod obișnuit, înregistrările cu electrozi de suprafață pentru un ECG vor fi în gama milliVolt. Prin urmare, pentru a obține acest semnal într-un interval, putem lucra cu o amplificare (K) de 1000 V / V va fi adecvată.

Ecuațiile de guvernare pentru amplificatorul ilustrat mai sus sunt:

K1 = 1 + 2 * R2 / R1, acesta este câștigul din etapa 1

K2 = - R4 / R3, acesta este câștigul etapei 2

Rețineți că, în mod ideal, K1 și K2 ar trebui să fie aproximativ egale și pentru a obține amplificarea dorită K1 * K2 = 1000

Valorile finale utilizate în circuitul nostru au fost ….

R1 = 6,5 kOhm

R2 = 100 kOhm

R3 = 3,17 kOhm

R4 = 100 kOhm

Pasul 2: Proiectarea unui filtru Notch

În lumea modernă, probabil, colectarea ECG se va face lângă alte dispozitive electronice sau chiar într-o clădire care este alimentată cu energie electrică de la liniile electrice locale. Din păcate, natura de înaltă tensiune și oscilantă a puterii furnizate înseamnă că va produce o cantitate mare de „zgomot” electric în practic orice material conductor care se află în apropierea acestuia; aceasta include firele și elementele de circuit utilizate pentru a construi circuitul nostru de colectare ECG.

Pentru a combate acest lucru, orice semnal cu o frecvență egală cu cea a zgomotului generat de sursa de alimentare locală (numită zumzet de rețea) poate fi pur și simplu filtrat și eliminat în esență. În Statele Unite, rețeaua electrică alimentează 110-120V cu o frecvență de 60 Hz. Prin urmare, trebuie să filtrăm orice componentă de semnal cu o frecvență de 60 Hz. Din fericire, acest lucru a fost făcut de mai multe ori înainte și necesită doar proiectarea unui filtru de notch (în imaginea de mai sus).

Ecuațiile care guvernează acest filtru sunt ….

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

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

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

Q = w / B

unde wc2 este frecvența de tăiere mare, w2 frecvența de tăiere scăzută, w frecvența de tăiere în rad / sec și Q un factor de calitate

Rețineți că C este o valoare care poate fi aleasă liber. Următoarele valori utilizate în circuitul nostru au fost:

R1 = 1,65 kOhm

R2 = 424,5 kOhm

Q = 8

w = 120 * pi rad / sec

Pasul 3: Filtru low-pass

Semnalele ECG au o frecvență de aproximativ 0 - 150Hz. Pentru a preveni cuplarea unui zgomot mai mare pe semnal de la lucruri cu o frecvență mai mare decât această gamă, a fost implementat un filtru ButterWorth de treaptă joasă de ordinul doi cu o întrerupere de 150Hz pentru a permite semnalului ECG să treacă numai prin circuit. În loc să alegeți imediat o valoare a condensatorului ușor disponibilă, ca și componentele anterioare, prima valoare a condensatorului, C2, a fost aleasă pe baza formulei găsite mai jos. Din această valoare, toate celelalte valori ale componentelor ar putea fi calculate și apoi adăugate la circuit, menținând din nou câștigul la 1V / V.

C2 ≈ 10 / fc uf, unde fc este frecvența de întrerupere (150 Hz pentru acest caz).

Apoi, valorile rămase pot fi calculate așa cum se arată în tabelul inclus ca a doua imagine în acest pas.

Valorile finale utilizate pentru a fi plasate în schema de mai sus sunt:

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22,47 kOhm

R2 = 22,56 kOhm

Pasul 4: Pregătirea LabVIEW

Singurul material necesar pentru această secțiune a colecției ECG este un computer Windows echipat cu o copie pe 64 de biți a LabVIEW și o placă de condiționare a semnalului de la National Instruments () cu un singur modul de intrare. Schema bloc funcțională din cadrul LabVIEW ar trebui apoi să fie construită în modul următor. Începeți prin deschiderea unei diagrame funcționale bloc.

Introduceți un bloc DAQ Assistant și ajustați setările la următoarele:

Măsurare: Analog → Tensiune

Mod: RSE

Eșantionare: eșantionare continuă

Mostre colectate: 2500

Rata de eșantionare: 1000 / sec

Emiteți forma de undă colectată într-un grafic al formei de undă. În plus, calculați valoarea maximă a datelor curente ale formei de undă. Înmulțiți valoarea maximă a undei cu o valoare cum ar fi.8 pentru a crea un prag pentru detectarea vârfurilor, această valoare poate fi ajustată pe baza nivelului de zgomot din semnal. Introduceți produsul pasului anterior ca prag și matricea de tensiune brută ca date pentru funcția „Detectare vârfuri”. Apoi, ia ieșirea „Locație” a matricei de detectare a vârfurilor și scade prima și a doua valoare. Aceasta reprezintă diferența în valorile indexului celor două vârfuri din matricea inițială. Acest lucru poate fi apoi convertit într-o diferență de timp prin împărțirea valorii la rata de eșantionare, pentru cazul de exemplu acesta este 1000 / sec. În cele din urmă, luați inversul acestei valori (oferind Hz) și multiplicați cu 60 pentru a obține ritmul cardiac în bătăi pe minut BPM. Diagrama bloc finală pentru aceasta ar trebui să semene cu imaginea antetului pentru acest pas.

Pasul 5: Integrare completă a sistemului

Acum, că toate componentele au fost construite individual, este timpul să punem mall-ul împreună. Acest lucru se poate face prin simpla conectare a ieșirii unei secțiuni la intrarea segmentului următor. Etapele trebuie conectate în aceeași ordine în care apar în acest instructabil. Pentru ultima etapă, filtrul ButterWorth, intrarea acestuia trebuie atașată la unul dintre cele două cabluri de pe modulul de intrare al plăcii de condiționare a semnalului. Celălalt cablu din acest modul trebuie atașat la masa comună a circuitelor.

Pentru amplificatorul de instrumente, cele două cabluri ale acestuia trebuie atașate fiecare la un electrod ECG / EKG. Acest lucru se face cu ușurință cu ajutorul a două cleme de aligator. Apoi, puneți un electrod pe fiecare încheietură. Asigurați-vă că toate segmentele circuitului sunt conectate și că LabVIEW VI rulează și că sistemul ar trebui să scoată un grafic de formă de undă în fereastra LabVIEW.

Ieșirea ar trebui să arate similar cu a doua imagine furnizată în acest pas. Dacă nu este similar, este posibil să fie necesară ajustarea valorilor circuitului dvs. O problemă obișnuită este că filtrul de crestătură nu va fi centrat direct la 60 Hz și poate fi ușor spre înalt / scăzut. Acest lucru poate fi testat prin crearea unui grafic pentru filtru. În mod ideal, filtrul cu crestături va avea o atenuare de cel puțin 20 dB la 60 Hz. De asemenea, ar putea fi util să verificați dacă alimentarea dvs. locală este furnizată la 60 Hz. Nu este neobișnuit ca unele zone să aibă 50 Hz surse de curent alternativ, acest lucru ar necesita centrarea filtrului de notch în jurul acestei valori.