Detector simplu ECG și ritm cardiac: 10 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

Astăzi, vom trece prin proiectarea circuitului de bază de electrocardiografie (ECG) și vom crea un circuit pentru a amplifica și filtra semnalul electric al inimii. Apoi, putem măsura ritmul cardiac folosind software-ul labVIEW. De-a lungul procesului, voi da instrucțiuni detaliate cu privire la elementele de proiectare a circuitelor și de ce s-au produs, precum și un mic background de biologie. Imaginea din titlu este a semnalului electric al inimii mele. Până la sfârșitul acestui instructiv, veți putea să-l măsurați și pe al vostru. Să începem!

ECG este un instrument de diagnostic util pentru profesioniștii din domeniul medical. Poate fi folosit pentru a diagnostica o multitudine de afecțiuni cardiace, de la infarctul de bază (infarct miocardic), până la tulburări cardiace mai avansate, cum ar fi fibrilația atrială, pe care oamenii le pot parcurge majoritatea vieții fără să observe. La fiecare bătăi de inimă, sistemul tău nervos autonom lucrează din greu pentru a-ți bate inima. Trimite semnale electrice către inimă, care se deplasează de la nodul SA la nodul AV, apoi către ventriculii stâng și drept sincron, iar în cele din urmă de la endocard la fibrele epicardice și purkinje, inimile ultima linie de apărare. Acest circuit biologic complex poate avea probleme oriunde pe parcursul său, iar ECG poate fi utilizat pentru a diagnostica aceste probleme. Aș putea vorbi despre biologie toată ziua, dar există deja o carte despre acest subiect, așa că consultați „Diagnosticul ECG în practica clinică”, de Nicholas Peters, Michael Gatzoulis și Romeo Vecht. Această carte este extrem de ușor de citit și demonstrează utilitatea uimitoare a unui ECG.

Pentru a crea ECG, veți avea nevoie de următoarele componente sau substituții acceptabile.

• Pentru proiectarea circuitului:

  • Pană de pâine
  • Amplificatoare OP x 5
  • Rezistențe
  • Condensatoare
  • Fire
  • Clipuri de aligator sau alte metode de stimulare și măsurare
  • Cabluri BNC
  • Generator de funcții
  • Osciloscop
  • Sursa de alimentare DC sau bateriile dacă sunteți la îndemână

• Pentru detectarea ritmului cardiac:

  • LabView
  • Consiliul DAQ

• Pentru măsurarea semnalului biologic *

  • Electrozi
  • Clipuri de aligator sau cabluri de electrod

* Am pus o notă de avertizare mai sus și voi discuta puțin mai mult despre pericolele componentelor electrice pentru corpul uman. Nu conectați acest ECG la dvs. decât dacă v-ați asigurat că utilizați tehnici adecvate de izolare. Conectarea dispozitivelor cu alimentare principală, cum ar fi sursele de alimentare, osciloscoapele și computerele direct la circuit, poate provoca curenți mari să curgă prin circuit în cazul unei supratensiuni. Vă rugăm să izolați circuitul de la rețeaua de alimentare utilizând bateria și alte tehnici de izolare.

În continuare „Voi discuta despre partea distractivă; Elemente de proiectare a circuitelor!

Pasul 1: Specificații de proiectare a circuitului

Acum voi vorbi despre proiectarea circuitului. Nu voi discuta schemele circuitelor, deoarece acestea vor fi date după această secțiune. Această secțiune este destinată persoanelor care doresc să înțeleagă de ce am ales componentele pe care le-am făcut.

Imaginea de mai sus, preluată din manualul meu de laborator de la Universitatea Purdue, ne oferă aproape tot ce trebuie să știm pentru a proiecta un circuit ECG de bază. Aceasta este compoziția de frecvență a unui semnal ECG nefiltrat, cu o „amplitudine” generică (axa y) care se referă la un număr adimensional în scopuri comparative. Acum să vorbim despre design!

A. Amplificator de instrumentație

Amplificatorul de instrumentație va fi prima etapă din circuit. Acest instrument versatil tamponează semnalul, reduce zgomotul în modul obișnuit și amplifică semnalul.

Luăm un semnal din corpul uman. Unele circuite vă permit să utilizați sursa de măsurare ca sursă de alimentare, deoarece există o încărcare adecvată disponibilă, fără risc de deteriorare. Cu toate acestea, nu vrem să ne rănim subiecții umani, așa că trebuie să tamponăm semnalul pe care ne interesează să îl măsurăm. Un amplificator de instrumente vă permite să memorați semnale biologice, deoarece intrările Op Amp au impedanță teoretic infinită (acest lucru nu este cazul, în practică, dar impedanța este de obicei suficient de mare) ceea ce înseamnă că niciun curent (teoretic) nu poate circula în intrare terminale.

Corpul uman are zgomot. Semnalele de la mușchi pot face ca acest zgomot să se manifeste în semnale ECG. Pentru a reduce acest zgomot, putem folosi un amplificator diferențial pentru a reduce zgomotul în modul comun. În esență, dorim să scădem zgomotul care este prezent în mușchii antebrațului la două plasări ale electrodului. Un amplificator de instrumentare include un amplificator diferențial.

Semnalele din corpul uman sunt mici. Trebuie să amplificăm aceste semnale astfel încât să poată fi măsurate la o rezoluție adecvată folosind dispozitive de măsurare electrică. Un amplificator de instrumentație oferă câștigul necesar pentru a face acest lucru. Consultați linkul atașat pentru mai multe informații despre amplificatoarele de instrumentație.

www.electronics-tutorial.net/amplifier/instrumentation-amplifier/index.html

B. Filtru de crestătură

Liniile electrice din S. U. A. produc un „zumzet de rețea” sau „zgomot de linie electrică” la exact 60 Hz. În alte țări, acest lucru are loc la 50 Hz. Putem vedea acest zgomot uitându-ne la imaginea de mai sus. Deoarece semnalul nostru ECG este încă oarecum în banda de interes, vrem să eliminăm acest zgomot. Pentru a elimina acest zgomot, poate fi utilizat un filtru de notch, care reduce câștigul la frecvențele din notch. Unele persoane s-ar putea să nu fie interesate de frecvențele mai înalte din spectrul ECG și pot alege să creeze un filtru de trecere joasă cu o limită sub 60 Hz. Cu toate acestea, am vrut să greșim din partea sigură și să primim cât mai mult din semnal posibil, astfel încât s-au ales în schimb un filtru de notch și un filtru de trecere jos cu o frecvență de întrerupere mai mare.

Consultați linkul atașat pentru mai multe informații despre filtrele de notch.

www.electronics-tutorials.ws/filter/band-st…

C. Filtru trece-jos Butterworth VCVS de ordinul II

Compoziția de frecvență a unui semnal ECG se extinde doar până acum. Vrem să eliminăm semnalele la frecvențe mai mari, deoarece în scopurile noastre, acestea sunt pur și simplu zgomot. Semnalele de pe telefonul mobil, dispozitivul dinte albastru sau laptopul sunt peste tot, iar aceste semnale ar provoca zgomot inacceptabil în semnalul ECG. Acestea pot fi eliminate cu un filtru Butterworth Low-Pass. Frecvența noastră de întrerupere aleasă a fost de 220 Hz, care, în retrospectivă, a fost puțin ridicată. Dacă ar fi să creez din nou acest circuit, aș alege o frecvență de întrerupere mult mai mică decât aceasta și poate chiar experimentez cu o frecvență de întrerupere sub 60 Hz și aș folosi în schimb un filtru de ordin superior!

Acest filtru este de ordinul doi. Acest lucru înseamnă că câștigul se „reduce” la o rată de 40 db / deceniu în loc de 20 db / deceniu, așa cum ar face un filtru de primă ordine. Această rulare mai abruptă oferă o atenuare mai mare a semnalului de înaltă frecvență.

A fost ales un filtru Butterworth deoarece este „maxim plat” în banda de trecere, ceea ce înseamnă că nu există distorsiuni în banda de trecere. Dacă sunteți interesat, acest link conține informații minunate pentru proiectarea de bază a filtrelor de ordinul doi:

www.electronics-tutorials.ws/filter/second-…

Acum că am vorbit despre proiectarea circuitelor, putem începe construcția.

Pasul 2: Construiți amplificatorul de instrumentație

Acest circuit va tampona intrarea, va scădea zgomotul în modul comun și va amplifica semnalul cu un câștig de 100. Schema circuitului și ecuațiile de proiectare însoțitoare sunt prezentate mai sus. Aceasta a fost creată utilizând OrCAD Pspice designer și simulată folosind Pspice. Schema iese puțin neclară atunci când este copiată de pe OrCAD, așa că îmi cer scuze pentru asta. Am editat imaginea pentru a face, din fericire, unele dintre valorile rezistenței puțin mai clare.

Amintiți-vă că atunci când creați circuite, trebuie alese valori rezonabile ale rezistenței și capacității, astfel încât să fie luate în considerare impedanța practică a sursei de tensiune, impedanța practică a dispozitivului de măsurare a tensiunii și dimensiunea fizică a rezistențelor și condensatoarelor.

Ecuațiile de proiectare sunt enumerate mai sus. Inițial, am dorit ca câștigul amplificatorului de instrumentație să fie x1000 și am creat acest circuit astfel încât să putem amplifica semnalele simulate. Cu toate acestea, atunci când l-am atașat la corpul nostru, am dorit să reducem câștigul la 100 din motive de siguranță, deoarece panourile nu sunt tocmai cele mai stabile interfețe de circuit. Acest lucru a fost realizat prin rezistența de schimbare la cald 4 pentru a fi redus cu un factor de zece. În mod ideal, câștigul dvs. din fiecare etapă a amplificatorului de instrumentație ar fi același, dar în schimb câștigul nostru a devenit 31,6 pentru etapa 1 și 3,16 pentru etapa 2, oferind un câștig de 100. Am atașat schema circuitului pentru un câștig de 100 în loc de 1000. Veți vedea în continuare semnalele simulate și biologice perfect cu acest nivel de câștig, dar este posibil să nu fie ideal pentru componentele digitale cu o rezoluție mică.

Rețineți, în schema circuitului, am cuvintele „intrare la sol” și „intrare pozitivă” desenate în text portocaliu. Am plasat accidental funcția de intrare acolo unde ar trebui să se afle solul. Vă rugăm să puneți terenul unde este notată „intrarea la sol” și funcția unde este notată „intrarea pozitivă”.

• rezumat

  • Câștigul etapei 1 - 31,6
  • Câștigul etapei 2 - 3,16 din motive de siguranță

Pasul 3: Construiți filtrul Notch

Acest filtru cu crestături elimină zgomotul de 60 Hz de pe liniile electrice din S. U. A. Întrucât dorim ca acest filtru să crească exact la 60 Hz, este esențială utilizarea valorilor corecte ale rezistenței.

Ecuațiile de proiectare sunt enumerate mai sus. A fost utilizat un factor de calitate de 8, ceea ce duce la un vârf mai abrupt la frecvența de atenuare. A fost utilizată o frecvență centrală (f0) de 60 Hz, cu o lățime de bandă (beta) de 2 rad / s pentru a oferi atenuare la frecvențe ușor abateri de la frecvența centrală. Amintiți-vă că litera greacă omega (w) este în unități de rad / s. Pentru a converti de la Hz la rad / s, trebuie să multiplicăm frecvența noastră centrală, 60 Hz, cu 2 * pi. Beta este, de asemenea, măsurată în rad / s.

• Valori pentru ecuațiile de proiectare

  • w0 = 376,99 rad / s
  • Beta (B) = 2 rad / s
  • Q = 8
• De aici, s-au ales valori rezonabile de rezistență și capacitate pentru a construi circuitul.

Pasul 4: Construiți filtrul low-pass

Un filtru low-pass este folosit pentru a elimina frecvențele înalte pe care nu ne interesează să le măsurăm, cum ar fi semnalele telefonului mobil, comunicarea prin Bluetooth și zgomotul WiFi. Un filtru activ VCVS Butterworth de ordinul doi oferă un semnal maxim plat (curat) în regiunea de trecere a benzii, cu o rulare de -40 db / deceniu în regiunea de atenuare.

Ecuațiile de proiectare sunt enumerate mai sus. Aceste ecuații sunt puțin lungi, așa că nu uitați să vă verificați matematica! Rețineți că valorile b și a sunt alese cu atenție pentru a oferi un semnal plat în regiunea basului și o atenuare uniformă în regiunea roll off. Pentru mai multe informații despre modul în care apar aceste valori, consultați linkul din pasul 2, secțiunea C, „filtru trece jos”.

Specificația pentru C1 este destul de ambiguă, deoarece este pur și simplu mai mică decât o valoare bazată pe C2. Am calculat-o ca fiind mai mică sau egală cu 22 nF, așa că am ales 10 nF. Circuitul a funcționat bine, iar punctul -3 db era foarte aproape de 220 Hz, așa că nu m-aș îngrijora prea mult de acest lucru. Amintiți-vă din nou că frecvența unghiulară (wc) în rad / s este egală cu frecvența de tăiere în Hz (fc) * 2pi.

• Constrângeri de proiectare

  • K (câștig) = 1
  • b = 1
  • a = 1,4142
  • Frecvență de tăiere - 220 Hz

Frecvența de întrerupere de 220 Hz părea puțin ridicată. Dacă ar fi să fac asta din nou, probabil aș face-o mai aproape de 100 Hz, sau chiar m-aș deranja cu o trecere joasă de ordin superior cu o limită de 50 Hz. Vă încurajez să încercați diferite valori și scheme!

Pasul 5: Conectați amplificatorul de instrumentație, filtrul de notch și filtrul de trecere jos

Acum, pur și simplu conectați ieșirea amplificatorului de instrumentație la intrarea filtrului de notch. Apoi conectați ieșirea filtrului de notch la intrarea filtrului de trecere jos.

De asemenea, am adăugat condensatori de bypass de la sursa de alimentare DC la masă pentru a elimina ceva zgomot. Acești condensatori ar trebui să aibă aceeași valoare pentru fiecare amplificator opțional și cel puțin 0,1 uF, dar în afară de aceasta, nu ezitați să utilizați orice valoare rezonabilă.

Am încercat să folosesc un mic circuit de plic pentru a „netezi” semnalul zgomotos, dar nu funcționa așa cum am intenționat și am fost la timp, așa că am renunțat la această idee și am folosit în schimb procesarea digitală. Acesta ar fi un pas extraordinar dacă ești curios!

Pasul 6: Porniți circuitul, introduceți o formă de undă și măsurați

Instrucțiuni pentru alimentarea circuitului și efectuarea măsurătorilor. Deoarece echipamentul tuturor este diferit, nu există o modalitate simplă de a vă spune cum să introduceți și să măsurați. Am dat instrucțiuni de bază aici. Consultați diagrama anterioară pentru un exemplu de configurare.

1. Conectați generatorul de funcții la amplificatorul de instrumentație.

   • Clip pozitiv la Op-Amp inferior în diagrama amplificatorului de instrumentație
   • Clip negativ la sol.
   • Scurtați la masă intrarea amplificatorului Op superior din diagrama amplificatorului de instrumentație. Aceasta va oferi o referință pentru semnalul primit. (În semnale biologice, această intrare va fi un electrod cu intenția de a reduce zgomotul în modul comun.)

2. Conectați clema pozitivă a osciloscopului la ieșirea din etapa finală (ieșirea filtrului trece jos).

   • clip pozitiv la ieșire în etapa finală
   • clip negativ la sol
3. Conectați sursa de alimentare DC la șine, asigurându-vă că fiecare intrare de putere Op-Amp este scurtcircuitată la șina căreia îi corespunde.

4. Conectați pământul sursei de alimentare a curentului continuu la șina inferioară rămasă, oferind o referință pentru semnalul dvs.

   scurtcircuitați solul șinei inferioare la solul șinei superioare, ceea ce ar trebui să vă permită curățarea circuitului

Începeți introducerea unei unde și utilizați osciloscopul pentru a face măsurători! Dacă circuitul dvs. funcționează conform intenției, ar trebui să vedeți un câștig de 100. Acest lucru ar însemna că tensiunea de vârf la vârf ar trebui să fie de 2V pentru un semnal de 20 mV. Dacă sunteți generator de funcții ca o formă de undă cardiacă fantezie, încercați să introduceți asta.

Încercați cu frecvențe și intrări pentru a vă asigura că filtrul funcționează corect. Încercați să testați fiecare etapă individual, apoi testați circuitul în ansamblu. Am atașat un exemplu de experiment în care am analizat funcția filtrului de notch. Am observat suficientă atenuare de la 59,5 Hz la 60,5 Hz, dar aș fi preferat să am ceva mai multă atenuare la punctele de 59,5 și 60,5 Hz. Cu toate acestea, timpul era esențial, așa că am mers mai departe și m-am gândit că aș putea elimina zgomotul digital mai târziu. Iată câteva întrebări pe care doriți să le luați în considerare pentru circuitul dvs.:

• Câștigul este de 100?
• Verificați câștigul la 220 Hz. Este -3 db sau aproape de asta?
• Verificați atenuarea la 60 Hz. Este suficient de mare? Mai oferă o anumită atenuare la 60,5 și 59,5 Hz?
• Cât de repede rulează filtrul de la 220 Hz? Este -40 db / deceniu?
• Există curent în oricare dintre intrări? Dacă da, acest circuit nu este potrivit pentru măsurarea umană și este posibil să se întâmple ceva în neregulă cu designul sau componentele dumneavoastră.

Dacă circuitul funcționează conform intenției, atunci sunteți gata să mergeți mai departe! Dacă nu, aveți de rezolvat unele probleme. Verificați ieșirea fiecărei etape individual. Asigurați-vă că amplificatoarele dvs. sunt alimentate și funcționale. Examinați tensiunea la fiecare nod până când ați găsit problema cu circuitul.

Pasul 7: Măsurarea ritmului cardiac LabVIEW

LabVIEW ne va permite să măsurăm ritmul cardiac folosind o diagramă bloc-logică. Având mai mult timp, aș fi preferat să digitalizez eu însumi datele și să creez cod care să determine ritmul cardiac, deoarece nu ar necesita computere cu labVIEW instalat și o placă DAQ puternică. În plus, valorile numerice din labVIEW nu au apărut intuitiv. Cu toate acestea, învățarea labVIEW a fost o experiență valoroasă, deoarece utilizarea logicii diagramelor bloc este mult mai ușoară decât a fi nevoie să vă codificați propria logică.

Nu există multe de spus pentru această secțiune. Conectați ieșirea circuitului dvs. la placa DAQ și conectați placa DAQ la computer. Creați circuitul afișat în următoarea imagine, apăsați „alergare” și începeți să colectați date! Asigurați-vă că circuitul dvs. primește o formă de undă.

Unele setări importante în acest sens sunt:

• o rată de eșantionare de 500 Hz și o dimensiune a ferestrei de 2500 de unități înseamnă că capturăm date în valoare de 5 secunde în interiorul ferestrei. Acest lucru ar trebui să fie suficient pentru a vedea 4-5 bătăi de inimă în repaus și mai multe în timpul exercițiului.
• Un vârf detectat de 0,9 a fost suficient pentru a detecta ritmul cardiac. Deși se pare că se verifică grafic, a durat destul de mult timp pentru a ajunge la această valoare. Ar trebui să vă încurcați cu acest lucru până când calculați cu exactitate bătăile inimii.
• O lățime de „5” părea să fie suficientă. Din nou, această valoare a fost modificată și nu pare să aibă sens intuitiv.
• Introducerea numerică pentru calcularea ritmului cardiac folosește o valoare de 60. De fiecare dată când este indicată o bătăi de inimă, aceasta trece prin circuitul de nivel inferior și returnează un 1 de fiecare dată când inima bate. Dacă împărțim acest număr la 60, în esență spunem „împarte 60 la numărul de bătăi calculat în fereastră”. Aceasta vă va întoarce ritmul cardiac, în bătăi / min.

Imaginea atașată este a bătăilor inimii mele în labVIEW. A stabilit că inima mea bătea la 82 BPM. Am fost destul de încântat să am în sfârșit acest circuit funcțional!

Pasul 8: Măsurarea umană

Dacă ți-ai dovedit că circuitul tău este sigur și funcțional, atunci îți poți măsura propriile bătăi ale inimii. Folosind electrozi de măsurare 3M, plasați-i în următoarele locații și conectați-i la circuit. Conductele pentru încheietura mâinii merg pe interiorul încheieturii mâinii, de preferință acolo unde este puțin sau deloc păr. Electrodul de masă merge pe partea osoasă a gleznei dvs. Folosind cleme de aligator, conectați cablul pozitiv la intrarea pozitivă, negativ la intrarea negativă și electrodul de masă la șina de masă (acordați o atenție deosebită că nu este șina de putere negativă).

O ultimă notă repetată: "Acesta nu este un dispozitiv medical. Acesta este doar în scopuri educaționale, utilizând doar 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. Vă asumați riscul oricăror daune provocate."

Asigurați-vă că osciloscopul dvs. este conectat corect. Asigurați-vă că nu curge curent în amplificatorul operațional și că electrodul de masă este atașat la sol. Asigurați-vă că dimensiunile ferestrelor osciloscopului sunt corecte. Am observat un complex QRS de aproximativ 60 mV și am folosit o fereastră 5s. Atașați clemele de aligator la electrozii lor pozitivi, negativi și la masă. Ar trebui să începeți să vedeți o formă de undă ECG după câteva secunde. Relaxa; nu efectuați mișcări, deoarece filtrul poate capta în continuare semnale musculare.

Cu o configurare adecvată a circuitului, ar trebui să vedeți ceva de genul respectiv în pasul anterior! Acesta este propriul semnal ECG. Apoi voi atinge procesarea.

NOTĂ: Veți vedea diferite configurații ECG cu 3 electrozi online. Acestea ar funcționa și ele, dar pot da forme de undă inversate. Odată cu modul în care amplificatorul diferențial este configurat în acest circuit, această configurație a electrodului oferă o formă de undă tradițională pozitivă-QRS complexă.

Pasul 9: Procesarea semnalului

Deci, v-ați conectat la osciloscop și puteți vedea complexul QRS, dar semnalul pare încă zgomotos. Probabil ceva de genul primei imagini din această secțiune. Asta este normal. Folosim un circuit pe o placă deschisă, cu o grămadă de componente electrice care acționează practic ca antene mici. Sursele de curent continuu sunt notoriu zgomotoase și nu există nicio ecranare RF. Desigur, semnalul va fi zgomotos. Am făcut o scurtă încercare de a folosi un circuit de urmărire a plicurilor, dar am rămas fără timp. Totuși, este ușor să faceți acest lucru digital! Pur și simplu luați o medie mobilă. Singura diferență între graficul gri / albastru și graficul negru / verde este că graficul negru / verde utilizează o medie mobilă de tensiune într-o fereastră de 3 ms. Aceasta este o fereastră atât de mică în comparație cu timpul dintre bătăi, dar face ca semnalul să pară mult mai lin.

Pasul 10: Pașii următori?

Acest proiect a fost grozav, dar ceva se poate face întotdeauna mai bine. Iată câteva dintre gândurile mele. Simțiți-vă liber să le lăsați pe ale dvs. mai jos!

• Folosiți o frecvență de tăiere mai mică. Acest lucru ar trebui să elimine o parte din zgomotul prezent în circuit. Poate chiar să te joci folosind doar un filtru low-pass cu o rulare abruptă.
• Lipiți componentele și creați ceva permanent. Acest lucru ar trebui să reducă zgomotul, mai rece și mai sigur.
• Digitalizați semnalul și emiteți-l pe cont propriu, eliminând necesitatea unei plăci DAQ și permițându-vă să scrieți cod care va determina bătăile inimii pentru dvs. în loc să fie nevoie să utilizați LabVIEW. Acest lucru va permite utilizatorului de zi cu zi să detecteze bătăile inimii fără a necesita un program puternic.

Proiecte viitoare?

• Creați un dispozitiv care va afișa intrarea direct pe un ecran (hmmmm raspberry pi și ecran proiect?)
• Folosiți componente care vor micșora circuitul.
• Creați un ECG portabil all-in-one cu afișaj și detectare a ritmului cardiac.

Aceasta încheie instructabilul! Mulțumesc că ai citit. Vă rugăm să lăsați orice gânduri sau sugestii mai jos.