Circuit de electrocardiogramă (ECG): 7 pași

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

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.

Suntem doi studenți la inginerie biomedicală și după ce am luat prima clasă de circuite, am fost destul de încântați și am decis să folosim elementele de bază pe care am învățat să le facem ceva util: afișarea unui ECG și citirea ritmului cardiac. Acesta ar fi cel mai complex circuit pe care l-am construit încă!

Câteva informații despre un ECG:

Multe dispozitive electrice sunt utilizate pentru măsurarea și înregistrarea activității biologice în corpul uman. Un astfel de dispozitiv este electrocardiograma, care măsoară semnalele electrice produse de inimă. Aceste semnale oferă informații obiective despre structura și funcția inimii. ECG a fost dezvoltat pentru prima dată în 1887 și a oferit medicilor un nou mod de a diagnostica complicațiile cardiace. ECG-urile pot detecta ritmul cardiac, ritmul cardiac, atacurile de cord, aportul inadecvat de sânge și oxigen către inimă și anomaliile structurale. Folosind un design simplu al circuitului, se poate realiza un ECG care ar putea monitoriza toate aceste lucruri.

Pasul 1: Materiale

Construirea circuitului

Materialele de bază necesare construirii circuitului sunt prezentate în imagini. Ei includ:

• Pană de pâine

• Amplificatoare operaționale

  • Toate amplificatoarele de operare utilizate în acest circuit sunt LM741.
  • Pentru mai multe informații, consultați fișa tehnică:
• Rezistențe
• Condensatoare
• Fire

• Electrozi fixabili

  Acestea sunt necesare numai dacă decideți să încercați circuitul pe o persoană reală

Software-ul utilizat include:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab sau PSpice pentru simulări pentru a verifica valorile
• excela

  Acest lucru este foarte recomandat în cazul în care trebuie să modificați caracteristicile circuitului dvs. De asemenea, este posibil să trebuiască să vă jucați cu numerele până când găsiți rezistența și valorile condensatorului care sunt ușor disponibile. Calculele stilou și hârtie descurajate pentru acesta! Am atașat calculele noastre de calcul tabelar pentru a ne face o idee

Testarea circuitului

De asemenea, veți avea nevoie de câteva echipamente electronice mai mari:

• Alimentare DC
• Placă DAQ pentru a interfața circuitul cu LabVIEW
• Generator de funcții pentru testarea circuitului
• Osciloscop pentru circuitul de testare

Pasul 2: Amplificator de instrumentație

De ce avem nevoie de ea:

Vom construi un amplificator de instrumentație pentru a amplifica mica amplitudine măsurată din corp. Folosirea a două amplificatoare în prima etapă ne va permite să anulăm zgomotul creat de corp (care va fi același la ambii electrozi). Vom folosi două etape de câștig aproximativ egal - acest lucru protejează utilizatorul dacă sistemul este conectat la o persoană, împiedicând tot câștigul să se întâmple într-un singur loc. Deoarece amplitudinea normală a unui semnal ECG este cuprinsă între 0,1 și 5 mV, dorim ca câștigul amplificatorului de instrumentare să fie de aproximativ 100. O toleranță acceptabilă la câștig este de 10%.

Cum se construiește:

Folosind aceste specificații și ecuațiile văzute în tabel (imagini atașate), am constatat că valorile rezistenței noastre sunt R1 = 1,8 kiloOhms, R2 = 8,2 kiloOhms, R3 = 1,5 kiloOhms și R4 = 15 kiloOhms. K1 este câștigul primei etape (OA1 și OA2), iar K2 este câștigul etapei a doua (OA3). Condensatoarele de bypass de capacitate egală sunt utilizate pe sursele de alimentare ale amplificatoarelor operaționale pentru a elimina zgomotul.

Cum să-l testați:

Orice semnal care este alimentat în amplificatorul de instrumentare ar trebui amplificat cu 100. Folosind dB = 20log (Vout / Vin) aceasta înseamnă un raport de 40 dB. Puteți simula acest lucru în PSpice sau CircuitLab sau puteți testa dispozitivul fizic sau ambele!

Imaginea osciloscopului atașat arată un câștig de 1000. Pentru un ECG real, acesta este prea mare!

Pasul 3: Filtru de notch

De ce avem nevoie de ea:

Vom folosi un filtru cu crestături pentru a elimina zgomotul de 60 Hz prezent în toate sursele de alimentare din Statele Unite.

Cum se construiește:

Vom seta factorul de calitate Q la 8, ceea ce va oferi o ieșire de filtrare acceptabilă, menținând în același timp valorile componentelor într-un interval fezabil. De asemenea, setăm valoarea condensatorului la 0,1 μF, astfel încât calculele să afecteze numai rezistențele. Valorile rezistenței calculate și utilizate pot fi văzute în tabel (în imagini) sau mai jos

• Q = w / B

  setați Q la 8 (sau alegeți-vă propriul în funcție de nevoile dvs.)

• w = 2 * pi * f

  folosiți f = 60 Hz

• C

  setat la 0,1 uF (sau alegeți propria valoare din condensatoarele disponibile)

• R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

  Calculati. Valoarea noastră este de 1,66 kohm

• R2 = 2 * Q / (w * C)

  Calculati. Valoarea noastră este de 424,4 kohm

• R3 = R1 * R2 / (R1 + R2)

  Calculati. Valoarea noastră este de 1,65 kohm

Cum să-l testați:

Filtrul cu crestături ar trebui să treacă neschimbat toate frecvențele, cu excepția celor de aproximativ 60 Hz. Acest lucru poate fi verificat cu un curent alternativ. Un filtru cu un câștig de -20 dB la 60 Hz este considerat bun. Puteți simula acest lucru în PSpice sau CircuitLab sau puteți testa dispozitivul fizic sau ambele!

Acest tip de filtru cu crestături poate genera o crestătură bună în curgerea simulată de curent alternativ, dar un test fizic a arătat că valorile noastre inițiale au generat o crestătură la o frecvență mai mică decât cea prevăzută. Pentru a remedia acest lucru, am crescut R2 cu aproximativ 25 kohm.

Imaginea osciloscopului arată că filtrul reduce semnificativ magnitudinea semnalului de intrare la 60 Hz. Graficul prezintă un curent alternativ pentru un filtru de înaltă calitate.

Pasul 4: Filtru low-pass

De ce avem nevoie de ea:

Ultima etapă a dispozitivului este un filtru trece-jos activ. Semnalul ECG este alcătuit din multe forme de undă diferite, fiecare având frecvența proprie. Vrem să surprindem toate acestea, fără niciun zgomot de înaltă frecvență. Este selectată frecvența de întrerupere standard pentru monitoarele ECG de 150 Hz. (Limitele mai mari sunt uneori alese pentru a monitoriza anumite probleme cardiace, dar pentru proiectul nostru vom folosi o limită normală.)

Dacă doriți să faceți un circuit mai simplu, puteți utiliza și un filtru pas-jos pasiv. Acesta nu va include un amplificator op și va consta doar dintr-un rezistor în serie cu un condensator. Tensiunea de ieșire va fi măsurată pe condensator.

Cum se construiește:

Îl vom proiecta ca un filtru Butterworth de ordinul doi, care are coeficienți a și b egali cu 1.414214 și respectiv 1. Setarea câștigului la 1 face ca amplificatorul operațional să devină un adept de tensiune. Ecuațiile și valorile alese sunt prezentate în tabel (în imagini) și mai jos.

• w = 2 * pi * f

  set f = 150 Hz

• C2 = 10 / f

  Calculati. Valoarea noastră este 0,067 uF

• C1 <= C2 * (a ^ 2) / (4b)

  Calculati. Valoarea noastră este 0,033 uF

• R1 = 2 / (w * (aC2 + sqrt (a ^ 2 * C2 ^ 2-4b * C1 * C2)))

  Calculati. Valoarea noastră este de 18.836 kohm

• R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2)

  Calculati. Valoarea noastră este de 26,634 kohm

Cum să-l testați:

Filtrul trebuie să treacă neschimbat frecvențele de sub limită. Acest lucru poate fi testat folosind un curent alternativ. Puteți simula acest lucru în PSpice sau CircuitLab sau puteți testa dispozitivul fizic sau ambele!

Imaginea osciloscopului arată răspunsul filtrului la 100 Hz, 150 Hz și 155 Hz. Circuitul nostru fizic a avut o limită mai apropiată de 155 Hz, arătată de raportul -3 dB.

Pasul 5: Filtru trecere înaltă

De ce avem nevoie de ea:

Filtrul high-pass este utilizat astfel încât frecvențele sub o anumită valoare de tăiere să nu fie înregistrate, permițând trecerea unui semnal curat. Frecvența de întrerupere este aleasă ca fiind 0,5 Hz (o valoare standard pentru monitoarele ECG).

Cum se construiește:

Valorile rezistenței și ale condensatorului necesare pentru a realiza acest lucru sunt văzute mai jos. Rezistența noastră efectivă utilizată a fost de 318,2 kohm.

• R = 1 / (2 * pi * f * C)

  • setați f = 0,5 Hz și C = 1 uF
  • Calculați R. Valoarea noastră este 318.310 kohm

Cum să-l testați:

Filtrul trebuie să treacă neschimbat frecvențele de peste limită. Acest lucru poate fi testat folosind un curent alternativ. Puteți simula acest lucru în PSpice sau CircuitLab sau puteți testa dispozitivul fizic sau ambele!

Pasul 6: Configurarea LabVIEW

Organigrama prezintă conceptul de proiectare a porțiunii LabVIEW a proiectului care înregistrează semnalul la o rată de eșantionare ridicată și afișează ritmul cardiac (BPM) și ECG. Circuitul nostru LabView conține următoarele componente: asistent DAQ, matrice de indici, operatori aritmetici, detectarea vârfurilor, indicatori numerici, grafic de formă de undă, schimbare în timp, identificator max / min și constante de număr. Asistentul DAQ este setat să preia eșantioane continue la o rată de 1 kHz, numărul de eșantioane fiind modificat între 3 000 și 5 000 eșantioane pentru detectarea vârfurilor și claritatea semnalului.

Treceți cu mouse-ul peste diferitele componente din diagrama circuitului pentru a citi unde în LabVIEW pentru a le găsi!

Pasul 7: Colectarea datelor

Acum că circuitul a fost asamblat, datele pot fi colectate pentru a vedea dacă funcționează! Trimiteți un ECG simulat prin circuit la 1 Hz. Rezultatul ar trebui să fie un semnal ECG curat, unde complexul QRS, unda P și unda T pot fi văzute clar. De asemenea, ritmul cardiac ar trebui să afișeze 60 de bătăi pe minut (bpm). Pentru a testa în continuare circuitul și setarea LabVIEW, schimbați frecvența la 1,5 Hz și 0,5 Hz. Frecvența cardiacă ar trebui să se modifice la 90 bpm și respectiv 30 bpm.

Pentru ca frecvența cardiacă mai lentă să fie afișată cu precizie, poate fi necesar să ajustați setările DAQ pentru a afișa mai multe unde pe grafic. Acest lucru se poate face prin creșterea numărului de probe.

Dacă alegeți să testați dispozitivul pe un om, asigurați-vă că sursa de alimentare pe care o utilizați pentru amplificatorii op limitează curentul la 0,015 mA! Există mai multe configurații acceptabile de plumb, dar am ales să plasăm electrodul pozitiv pe glezna stângă, electrodul negativ pe încheietura mâinii drepte și electrodul de masă pe glezna dreaptă, așa cum se vede în imaginea atașată.

Folosind câteva concepte de bază ale circuitelor și cunoștințele noastre despre inima omului, v-am arătat cum să creați un dispozitiv distractiv și util. Sperăm că v-a plăcut tutorialul nostru!