Circuit ECG simplu și program de ritm cardiac LabVIEW: 6 pași

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

O electrocardiogramă, sau denumită în continuare ECG, este un sistem de diagnosticare și monitorizare extrem de puternic utilizat în toate cabinetele medicale. ECG-urile sunt utilizate pentru a observa grafic activitatea electrică a inimii pentru a verifica anomaliile în ritmul cardiac sau semnalizarea electrică.

Dintr-o citire ECG, ritmul cardiac al pacienților poate fi determinat de distanța de timp dintre complexele QRS. În plus, pot fi detectate alte afecțiuni medicale, cum ar fi un atac de cord în așteptare de către o creștere a segmentului ST. Lecturi de acest gen pot fi cruciale pentru diagnosticarea și tratarea corectă a unui pacient. Unda P arată contracția atriului inimii, curba QRS este contracția ventriculară, iar unda T este repolarizarea inimii. Cunoașterea chiar și a informațiilor simple, precum aceasta, poate diagnostica rapid pacienții pentru funcția cardiacă anormală.

Un ECG standard utilizat în practica medicală are șapte electrozi care sunt așezați într-un model semicircular ușor în jurul regiunii inferioare a inimii. Această plasare a electrozilor permite un zgomot minim la înregistrare și, de asemenea, permite măsurători mai consistente. Pentru scopul nostru al circuitului ECG creat, vom folosi doar trei electrozi. Electrodul pozitiv de intrare va fi plasat pe încheietura mâinii interioare dreapta, electrodul negativ de intrare va fi plasat pe încheietura mâinii interioare stânga, iar electrodul de masă va fi conectat la gleznă. Acest lucru va permite ca citirile să fie luate peste inimă cu o precizie relativă. Cu această plasare a electrozilor conectați la un amplificator de instrumentație, un filtru trece-jos și un filtru de notch, formele de undă ECG ar trebui să fie ușor de distins ca un semnal de ieșire din circuitul creat.

NOTĂ: 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

Pasul 1: Construiți un amplificator de instrumentație

Pentru a construi o instrumentație cu mai multe etape cu un câștig de 1000 sau 60 dB, ar trebui aplicată următoarea ecuație.

Câștig = (1 + 2 * R1 / Rgain)

R1 este egal cu toate rezistențele utilizate în amplificatorul de instrumentație, în afară de rezistorul de câștig, care într-un anumit sens va face ca toate câștigurile să fie implicate în prima etapă a amplificatorului. Acesta a fost ales să fie de 50,3 kΩ. Pentru a calcula rezistența de câștig, această valoare este conectată la ecuația de mai sus.

1000 = (1 + 2 * 50300 / Rgain)

Rgain = 100,7

După calcularea acestei valori, amplificatorul de instrumentație poate fi construit ca următorul circuit prezentat în acest pas. OP / AMP-urile ar trebui să fie alimentate cu 15 volți pozitivi și negativi, așa cum se arată în diagrama circuitului. Condensatoarele de bypass pentru fiecare OP / AMP ar trebui să fie plasate în apropierea OP / AMP în serie cu sursa de alimentare pentru a amortiza orice semnal de curent alternativ care vine de la sursa de alimentare la masă pentru a preveni prăjirea OP / AMP-urilor și orice zgomot suplimentar care ar putea contribui la semnal. De asemenea, pentru a testa câștigul real al circuitelor, nodului pozitiv al electrodului i se va da o undă sinusoidală de intrare și nodul negativ al electrodului ar trebui să fie conectat la masă. Acest lucru va permite câștigul circuitului să fie văzut cu precizie cu un semnal de intrare mai mic de 15 mV de vârf la vârf.

Pasul 2: Construiți filtrul de trecere joasă de ordinul 2

A fost utilizat un filtru trece jos de ordinul 2 pentru a elimina zgomotul peste frecvența de interes pentru semnalul ECG care era de 150 Hz.

Valoarea K utilizată în calcule pentru filtrul trece jos de ordinul II este câștigul. Deoarece nu dorim niciun câștig în filtrul nostru, am ales o valoare de câștig de 1, ceea ce înseamnă că tensiunea de intrare va fi egală cu tensiunea de ieșire.

K = 1

Pentru un filtru Butterworth de ordinul doi care va fi utilizat pentru acest circuit, coeficienții a și b sunt definiți mai jos. a = 1,414214 b = 1

În primul rând, a doua valoare a condensatorului este aleasă pentru a fi un condensator relativ mare, care este ușor disponibil în laborator și în lumea reală.

C2 = 0,1 F

Pentru a calcula primul condensator, se utilizează următoarele relații între acesta și cel de-al doilea condensator. Coeficienții K, a și b au fost conectați la ecuație pentru a calcula care ar trebui să fie această valoare.

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

C1 <= (0,1 * 10 ^ -6 [1.414214 ^ 2 + 4 * 1 (1-1)] / 4 * 1

C1 <= 50 nF

Deoarece primul condensator este calculat să fie mai mic sau egal cu 50 nF, a fost aleasă următoarea valoare a condensatorului.

C1 = 33 nF

Pentru a calcula primul rezistor necesar pentru acest filtru trece jos de ordinul doi cu o frecvență de întrerupere de 150 Hz, următoarea ecuație a fost rezolvată folosind atât valorile calculate ale condensatorului, cât și coeficienții K, a și b. R1 = 2 / [(frecvența de tăiere) * [aC2 * sqrt ([(a ^ 2 + 4b (K-1)) C2 ^ 2-4bC1C2])]

R1 = 9478 Ohm

Pentru a calcula al doilea rezistor, a fost utilizată următoarea ecuație. Frecvența de întrerupere este din nou de 150 Hz și coeficientul b este 1.

R2 = 1 / [bC1C2R1 (frecvența de tăiere) ^ 2]

R2 = 35,99 kOhm După calcularea valorilor de mai sus pentru rezistențele și condensatoarele necesare pentru un filtru de notch de ordinul doi, a fost creat următorul circuit pentru a arăta filtrul activ de trecere jos care va fi utilizat. OP / AMP este alimentat cu 15 volți pozitivi și negativi, așa cum se arată în diagramă. Condensatoarele de bypass sunt conectate la sursele de alimentare, astfel încât orice semnal de curent alternativ care iese din sursă să fie deviat la masă pentru a se asigura că OP / AMP nu se prăjește cu acest semnal. Pentru a testa această etapă a circuitului ECG, nodul semnalului de intrare ar trebui să fie conectat la o undă sinusoidală și ar trebui efectuată o curgere alternativă de la 1 Hz la 200 Hz pentru a vedea cum funcționează filtrul.

Pasul 3: Construiți filtrul Notch

Filtrul cu crestături este o parte extrem de importantă a multor circuite pentru măsurarea semnalelor de joasă frecvență. La frecvențe joase, zgomotul de 60 Hz de curent alternativ este extrem de frecvent, deoarece este frecvența curentului de curent alternativ care circulă prin clădirile din Statele Unite. Zgomotul de 60 Hz este incomod, deoarece se află în mijlocul benzii de trecere pentru ECG, dar un filtru de notch poate elimina frecvențe specifice, păstrând în același timp restul semnalului. Când proiectați acest filtru cu crestături, este foarte important să aveți un factor de înaltă calitate, Q, pentru a vă asigura că rulajul tăieturii este ascuțit în jurul punctului de interes. Mai jos sunt detaliate calculele utilizate pentru a construi un filtru de notch activ care va fi utilizat în circuitul ECG.

Mai întâi frecvența de interes, 60 Hz trebuie convertită de la Hz la rad / s.

frecvență = 2 * pi * frecvență

frecvență = 376,99 rad / secundă

Apoi, ar trebui calculată lățimea de bandă a frecvențelor tăiate. Aceste valori sunt determinate într-un mod care asigură că frecvența principală de interes, 60 Hz, este complet întreruptă și doar câteva frecvențe înconjurătoare sunt ușor afectate.

Lățime de bandă = Cutoff2-Cutoff1

Lățime de bandă = 37,699 Factorul de calitate trebuie determinat în continuare. Factorul de calitate determină cât de ascuțită este crestătura și cât de îngustă începe tăierea. Aceasta se calculează utilizând lățimea de bandă și frecvența de interes. Q = frecvența / lățimea benzii

Q = 10

Pentru acest filtru este aleasă o valoare ușor disponibilă a condensatorului. Condensatorul nu trebuie să fie mare și cu siguranță nu trebuie să fie prea mic.

C = 100 nF

Pentru a calcula primul rezistor utilizat în acest filtru activ de notch, a fost utilizată următoarea relație care implică factorul de calitate, frecvența de interes și condensatorul ales.

R1 = 1 / [2QC * frecvență]

R1 = 1326,29 Ohm

Al doilea rezistor utilizat în acest filtru este calculat folosind următoarea relație.

R2 = 2Q / [frecvență * C]

R2 = 530516 Ohm

Rezistorul final pentru acest filtru este calculat folosind cele două valori ale rezistorului anterioare. Se așteaptă să fie foarte similar cu primul rezistor calculat.

R3 = R1 * R2 / [R1 + R2]

R3 = 1323 Ohm

După ce toate valorile componentelor sunt calculate utilizând ecuațiile descrise mai sus, următorul filtru de notch trebuie să fie construit pentru a filtra cu precizie zgomotul de 60 Hz AC care va perturba semnalul ECG. OP / AMP ar trebui să fie alimentat cu 15 volți pozitivi și negativi, așa cum se arată în circuitul de mai jos. Condensatoarele de bypass sunt conectate de la sursele de alimentare de pe OP / AMP, astfel încât orice semnal de curent alternativ care provine de la sursa de alimentare să fie deviat la masă pentru a se asigura că OP / AMP nu se prăjește. Pentru a testa această porțiune a circuitului, semnalul de intrare ar trebui să fie conectat la o undă sinusoidală și să se efectueze o curgere alternativă de la 40 Hz la 80 Hz pentru a vedea filtrarea semnalului de 60 Hz.

Pasul 4: Creați un program LabVIEW pentru a calcula ritmul cardiac

LabVIEW este un instrument util pentru rularea instrumentelor, precum și pentru colectarea datelor. Pentru a colecta date ECG, se utilizează o placă DAQ care va citi tensiunile de intrare la o rată de eșantionare de 1 kHz. Aceste tensiuni de intrare sunt apoi transmise către un grafic care este utilizat pentru a afișa înregistrarea ECG. Datele colectate trec apoi printr-un Finder maxim care afișează valorile maxime citite. Aceste valori permit calcularea unui prag maxim la 98% din ieșirile maxime. După aceea, se folosește un detector de vârf pentru a determina când datele sunt mai mari decât acel prag. Aceste date împreună cu timpul dintre vârfuri pot fi utilizate pentru a determina ritmul cardiac. Acest calcul simplu va determina cu exactitate ritmul cardiac din tensiunile de intrare citite de placa DAQ.

Pasul 5: Testare

După ce vă construiți circuitele, sunteți gata să le puneți în funcțiune! În primul rând, fiecare etapă trebuie testată cu o frecvență alternativă de frecvență de la 0,05 Hz la 200 Hz. Tensiunea de intrare nu trebuie să fie mai mare de 15 mV vârf până la vârf, astfel încât semnalul să nu fie transmis de limitările OP / AMP. Apoi, conectați toate circuitele și rulați din nou un curent alternativ complet pentru a vă asigura că totul funcționează corect. După ce sunteți mulțumit de ieșirea circuitului complet, este timpul să vă conectați la el. Așezați electrodul pozitiv pe încheietura mâinii drepte și electrodul negativ pe încheietura mâinii stângi. Puneți electrodul de masă pe gleznă. Conectați ieșirea circuitului complet la placa DAQ și rulați programul LabVIEW. Semnalul dvs. ECG ar trebui să fie acum vizibil pe graficul de formă de undă de pe computer. Dacă nu este sau este distorsionat, încercați să scăpați câștigul circuitului la aproximativ 10 schimbând rezistența de câștig în consecință. Acest lucru ar trebui să permită citirea semnalului de către programul LabVIEW.