Circuit simplu de înregistrare ECG și monitor de ritm cardiac LabVIEW: 5 pași

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

Acesta nu este un dispozitiv medical. Acesta este doar în scopuri educaționale, utilizând numai 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

Unul dintre cele mai fundamentale aspecte ale asistenței medicale moderne este capacitatea de a capta o undă cardiacă folosind un ECG sau o electrocardiogramă. Această tehnică folosește electrozi de suprafață pentru a măsura diferitele modele electrice emise din inimă, astfel încât ieșirea poate fi utilizată ca instrument de diagnosticare pentru diagnosticarea afecțiunilor cardiace și pulmonare, cum ar fi diferite forme de tahicardie, bloc de ramură și hipertrofie. Pentru a diagnostica aceste condiții, forma de undă de ieșire este comparată cu un semnal ECG normal.

Pentru a crea un sistem care poate obține forma de undă ECG, semnalul trebuie mai întâi amplificat și apoi filtrat corespunzător pentru a elimina zgomotul. Pentru a face acest lucru, un circuit în trei trepte poate fi construit folosind amplificatori OP.

Acest instructabil va furniza informațiile necesare pentru proiectarea și apoi construirea unui circuit simplu capabil să înregistreze un semnal ECG folosind electrozi de suprafață și apoi să filtreze semnalul respectiv pentru procesare și analiză ulterioară. În plus, acest instructabil va contura o tehnică utilizată pentru a analiza semnalul respectiv pentru a crea o reprezentare grafică a ieșirii circuitului, precum și o metodă pentru calcularea ritmului cardiac de la ieșirea circuitului de formă de undă ECG.

Notă: atunci când proiectați fiecare etapă, asigurați-vă că efectuați curse de curent alternativ atât experimental, cât și prin simulări pentru a asigura comportamentul dorit al circuitului.

Pasul 1: Proiectați și construiți amplificatorul de instrumentație

Prima etapă a acestui circuit ECG este un amplificator de instrumentație, care constă din trei amperi OP. Primele două amplificatoare OP sunt intrări tamponate, care sunt apoi alimentate într-un al treilea amplificator OP care funcționează ca amplificator diferențial. Semnalele din corp trebuie să fie tamponate, altfel ieșirea se va diminua, deoarece corpul nu poate furniza mult curent. Amplificatorul diferențial ia diferența dintre cele două surse de intrare pentru a oferi o diferență de potențial măsurabilă, în timp ce anulează simultan zgomotul comun. Această etapă are, de asemenea, un câștig de 1000, amplificând mV-ul tipic la o tensiune mai lizibilă.

Câștigul circuitului de 1000 pentru amplificatorul de instrumentație este calculat prin ecuațiile prezentate. Câștigul etapei 1 al amplificatorului de instrumentație este calculat de (2), iar câștigul de etapa 2 al amplificatorului de instrumentare este calculat cu (3). K1 și K2 au fost calculate astfel încât să nu difere între ele cu mai mult de o valoare de 15.

Pentru un câștig de 1000, K1 ar putea fi setat la 40 și K2 ar putea fi setat la 25. Valorile rezistenței pot fi calculate, dar acest amplificator de instrumentare particular a folosit valorile rezistenței de mai jos:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

Pasul 2: Proiectați și construiți filtrul Notch

Următoarea etapă este un filtru de notch pentru a elimina semnalul de 60 Hz care vine de la priza de curent.

În filtrul de notch, valoarea rezistenței lui R1 este calculată cu (4), valoarea lui R2 cu (5) și valoarea lui R3 cu (6). Factorul de calitate al circuitului, Q, este setat la 8, deoarece oferă o marjă rezonabilă de eroare, fiind în același timp realistă. Valoarea Q poate fi calculată prin (7). Ultima ecuație de guvernare a filtrului de notch este utilizată pentru calcularea lățimii de bandă și este descrisă de (8). În plus față de factorul de calitate de 8, filtrul cu crestături a prezentat și alte specificații de proiectare. Acest filtru este proiectat pentru a avea un câștig de 1, astfel încât să nu modifice semnalul, în timp ce elimină semnalul de 60 Hz.

Conform acelor ecuații, R1 = 11,0524 kΩ, R2 = 2,829 MΩ, R3 = 11,009 kΩ și C1 = 15 nF

Pasul 3: Proiectați și construiți al doilea ordin Butterworth Low-Pass Filter

Etapa finală este un filtru low-pass pentru a elimina toate semnalele care pot apărea deasupra celei mai mari componente de frecvență a unei unde ECG, cum ar fi zgomotul WiFi și alte semnale ambientale care ar putea distrage atenția de la semnalul de interes. Punctul -3dB pentru această etapă ar trebui să fie în jurul sau aproape de 150 Hz, deoarece gama standard de semnale prezente într-o gamă de unde ECG de la 0,05 Hz la 150 Hz.

La proiectarea filtrului Butterworth de ordinul secundar trece-jos, circuitul este din nou setat să aibă un câștig de 1, ceea ce a permis un design mai simplu al circuitului. Înainte de a efectua orice alte calcule, este important să rețineți că frecvența de întrerupere dorită a filtrului trece jos este setată la 150 Hz. Este cel mai ușor să începeți prin calcularea valorii condensatorului 2, C2, deoarece alte ecuații depind de această valoare. C2 poate fi calculat prin (9). Pornind de la calcularea C2, C1 poate fi calculat prin (10). În cazul acestui filtru trece jos, coeficienții a și b sunt definiți unde a = 1.414214 și b = 1. Valoarea rezistorului R1 este calculată cu (11), iar valoarea rezistorului R2 este calculată cu (12).

Au fost utilizate următoarele valori:

R1 = 13.842kΩ

R2 = 54,36kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

Pasul 4: Configurați programul LabVIEW utilizat pentru achiziționarea și analiza datelor

Apoi, programul de calculator LabView poate fi utilizat pentru a crea o sarcină care va crea o reprezentare grafică a bătăilor inimii dintr-un semnal ECG și va calcula ritmul cardiac din același semnal. Programul LabView realizează acest lucru acceptând mai întâi o intrare analogică de pe o placă DAQ, care acționează și ca un convertor analog în digital. Acest semnal digital este apoi analizat și graficat în continuare, unde graficul arată reprezentarea grafică a semnalului care este introdus în placa DAQ. Forma de undă a semnalului este analizată luând 80% din valorile maxime ale semnalului digital acceptat și apoi folosește o funcție de detector de vârf pentru a detecta aceste vârfuri ale semnalului. În același timp, programul ia forma de undă și calculează diferența de timp dintre vârfurile formei de undă. Detectarea vârfurilor este cuplată cu valorile însoțitoare fie de 1, fie de 0, unde 1 reprezintă un vârf pentru a crea un indice de localizare a vârfurilor, iar acest indice este apoi utilizat în conjunctură cu diferența de timp dintre vârfuri pentru a calcula matematic ritmul cardiac în bătăi pe minut (BPM). Este prezentată diagrama bloc care a fost utilizată în programul LabView.

Pasul 5: Asamblare completă

După ce ați construit toate circuitele și programul LabVIEW și v-ați asigurat că totul funcționează corect, sunteți gata să înregistrați un semnal ECG. În imagine este o posibilă schemă a ansamblului sistemului complet de circuit.

Conectați electrodul pozitiv la încheietura mâinii drepte și una dintre intrările amplificatorului de instrumentație în cerc și electrodul negativ la încheietura mâinii stângi și cealaltă intrare a amplificatorului de instrumentație, așa cum se arată în imagine. Ordinea intrării electrodului nu contează. În cele din urmă, puneți un electrod de împământare pe gleznă și conectați-vă la masă în circuitul dvs. Felicitări, ați parcurs toți pașii necesari pentru înregistrare și semnal ECG.