ECG digital și monitor de ritm cardiac: 8 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 utilizează puterea bateriei și alte tehnici adecvate de izolare

O electrocardiogramă (ECG) înregistrează semnale electrice în timpul ciclului cardiac. De fiecare dată când inima bate, există un ciclu de depolarizare și hiper polarizare a celulelor miocardice. Depolarizarea și hiperpolarizarea pot fi înregistrate de electrozi, iar medicii citesc aceste informații pentru a afla mai multe despre modul în care funcționează inima. Un ECG poate determina un infarct miocardic, fibrilație atrială sau ventriculară, tahicardie și bradicardie [1]. După stabilirea problemei din ECG, medicii pot diagnostica și trata cu succes pacientul. Urmați pașii de mai jos pentru a afla cum să vă creați propriul dispozitiv de înregistrare a electrocardiogramei!

Pasul 1: Materiale

Componentele circuitului:

• Cinci amplificatoare operaționale UA741
• Rezistențe
• Condensatoare
• Sârme de jumper
• Consiliul DAQ
• Software LabVIEW

Echipamente de testare:

• Generator de funcții
• Alimentare DC
• Osciloscop
• Cabluri BNC și T-splitter
• Cabluri jumper
• Clipuri de aligator
• Dopuri pentru banane

Pasul 2: Amplificator de instrumentație

Prima etapă a circuitului este un amplificator de instrumentație. Acest lucru amplifică semnalul biologic, astfel încât diferitele componente ale ECG să poată fi distinse.

Diagrama circuitului pentru amplificatorul de instrumentație este prezentată mai sus. Primul câștig de etapă al acestui circuit este definit ca K1 = 1 + 2 * R2 / R1. Al doilea câștig de etapă al circuitului este definit ca K2 = R4 / R3. Câștigul general al amplificatorului de instrumentație este K1 * K2. Câștigul dorit pentru acest proiect a fost de aproximativ 1000, deci K1 a fost ales ca 31 și K2 a fost ales ca 33. Valorile rezistenței pentru aceste câștiguri sunt prezentate mai sus în diagrama circuitului. Puteți utiliza valorile rezistenței prezentate mai sus sau puteți modifica valorile pentru a atinge câștigul dorit. **

După ce ați ales valorile componentelor, circuitul poate fi construit pe panoul de control. Pentru a simplifica conexiunile circuitului de pe panou, șina orizontală negativă de deasupra a fost setată ca sol, în timp ce cele două șine orizontale de jos au fost setate să fie respectiv +/- 15V.

Primul amplificator operațional a fost plasat pe partea stângă a panoului de control pentru a lăsa spațiu pentru toate componentele rămase. Atașamentele au fost adăugate în ordine cronologică a știfturilor. Acest lucru face mai ușor să urmăriți ce piese au fost adăugate sau nu. Odată ce toți pinii sunt completi pentru amplificatorul op 1, se poate amplasa următorul amplificator op. Din nou, asigurați-vă că este relativ aproape pentru a lăsa spațiu. Același proces cronologic de pin a fost finalizat pentru toate amplificatoarele operaționale până când amplificatorul de instrumentație a fost complet.

Au fost apoi adăugate condensatoare de bypass, în plus față de schema circuitului, pentru a scăpa de cuplajul de curent alternativ din fire. Aceste condensatoare au fost puse în paralel cu alimentarea cu tensiune continuă și împământate pe șina negativă orizontală superioară. Acești condensatori ar trebui să fie în domeniul de la 0,1 la 1 microFarad. Fiecare amplificator operațional are doi condensatori de bypass, unul pentru pinul 4 și unul pentru pinul 7. Cele două condensatoare de pe fiecare amplificator operațional trebuie să aibă aceeași valoare, dar pot varia de la amplificator operațional la amplificator operațional.

Pentru a testa amplificarea, un generator de funcții și un osciloscop au fost conectate la intrarea și ieșirea respectivului amplificator. Semnalul de intrare a fost, de asemenea, conectat la osciloscop. O undă sinusoidală simplă a fost utilizată pentru a determina amplificarea. Introduceți ieșirea generatorului de funcții în cele două terminale de intrare ale amplificatorului de instrumentație. Setați osciloscopul pentru a măsura raportul dintre semnalul de ieșire și semnalul de intrare. Câștigul unui circuit în decibeli este Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). Pentru un câștig de 1000, câștigul în decibeli este de 60 dB. Folosind osciloscopul, puteți determina dacă câștigul circuitului construit corespunde specificațiilor dvs. sau dacă trebuie să modificați unele valori ale rezistenței pentru a vă îmbunătăți circuitul.

Odată ce amplificatorul de instrumentație este asamblat și funcționează corect, puteți trece la filtrul cu crestături.

** În diagrama de mai sus, R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Pasul 3: Filtru de notch

Scopul filtrului cu crestături este de a elimina zgomotul de la sursa de alimentare de 60 Hz. Un filtru cu crestături atenuează semnalul la frecvența de întrerupere și trece frecvențele deasupra și dedesubtul acestuia. Pentru acest circuit, frecvența de întrerupere dorită este de 60 Hz.

Ecuațiile de guvernare pentru schema de circuit prezentată mai sus sunt R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) și R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), unde Q este factorul de calitate și w este 2 * pi * (frecvența de tăiere). Un factor de calitate de 8 oferă valori ale rezistenței și condensatorului într-un interval rezonabil. Valorile condensatorului pot fi presupuse ca toate să fie aceleași. Astfel, puteți alege o valoare a condensatorului disponibilă în kiturile dvs. Valorile rezistenței prezentate în circuitul de mai sus sunt pentru o frecvență de întrerupere de 60 Hz, un factor de calitate de 8 și o valoare a condensatorului de 0,22 uF.

Deoarece condensatorii adaugă în paralel, doi condensatori cu valoarea aleasă C au fost plasați în paralel pentru a obține o valoare de 2C. De asemenea, condensatorii de bypass au fost adăugați la amplificatorul op.

Pentru a testa filtrul de notch, conectați ieșirea de la generatorul de funcții la intrarea filtrului de notch. Observați intrarea și ieșirea circuitului pe un osciloscop. Pentru a avea un filtru de notch eficient, ar trebui să aveți un câștig mai mic sau egal cu -20dB la frecvența de întrerupere. Deoarece componentele nu sunt ideale, acest lucru poate fi dificil de realizat. Este posibil ca rezistența și valorile condensatorului calculate să nu vă ofere câștigul dorit. Acest lucru vă va cere să faceți modificări la valorile rezistenței și ale condensatorului.

Pentru a face acest lucru, concentrați-vă pe o componentă la un moment dat. Măriți și micșorați valoarea unei singure componente fără a schimba altele. Observați efectele pe care acesta le are asupra câștigului circuitului. Acest lucru poate necesita multă răbdare pentru a obține câștigul dorit. Amintiți-vă, puteți adăuga rezistențe în serie pentru a crește sau a reduce valorile rezistenței. Schimbarea care ne-a îmbunătățit cel mai mult câștigul a fost creșterea unuia dintre condensatori la 0,33 uF.

Pasul 4: Filtru de trecere redusă

Filtrul trece jos elimină zgomotul de frecvență mai mare care poate interfera cu semnalul ECG. O întrerupere a trecerii joase de 40 Hz este suficientă pentru a capta informații despre forma de undă ECG. Cu toate acestea, unele componente ale ECG depășesc 40 Hz. De asemenea, ar putea fi utilizată o limită de 100 Hz sau 150 Hz [2].

Filtrul trece jos construit este un filtru Butterworth de ordinul doi. Deoarece câștigul circuitului nostru este determinat de amplificatorul de instrumentație, dorim un câștig de 1 în bandă pentru filtrul trece jos. Pentru un câștig de 1, RA este scurtcircuitat și RB este deschis în circuitul de mai sus [3]. În circuit, C1 = 10 / (fc) uF, unde fc este frecvența de tăiere. C1 trebuie să fie mai mic sau egal cu C2 * a ^ 2 / (4 * b). Pentru un filtru Butterworth de ordinul doi, a = sqrt (2) și b = 1. Conectând valorile pentru a și b, ecuația pentru C2 se simplifică la mai mică sau egală cu C1 / 2. Apoi R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a ^ 2 * C2 ^ 2 - 4 * b * C1 * C2))] și R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2), unde w = 2 * pi * fc. Calculele pentru acest circuit au fost finalizate pentru a oferi o limită de 40Hz. Valorile rezistorului și ale condensatorului care îndeplinesc aceste specificații sunt prezentate în schema de circuit de mai sus.

Amplificatorul operațional a fost plasat în partea dreaptă a panoului de control, deoarece nu vor fi adăugate alte componente după acesta. Rezistoarele și condensatoarele au fost adăugate la amplificatorul op pentru a finaliza circuitul. Au fost adăugate și condensatoare de bypass la amplificatorul op. Terminalul de intrare a fost lăsat gol deoarece intrarea va proveni de la semnalul de ieșire al filtrului de notch. Cu toate acestea, în scopul testării, un fir a fost plasat la pinul de intrare pentru a putea izola filtrul de trecere jos și a-l testa individual.

O undă sinusoidală de la generatorul de funcții a fost utilizată ca semnal de intrare și observată la diferite frecvențe. Observați atât semnalele de intrare, cât și cele de ieșire pe un osciloscop și determinați câștigul circuitului la diferite frecvențe. Pentru un filtru low-pass, câștigul la frecvența de întrerupere ar trebui să fie -3db. Pentru acest circuit, întreruperea ar trebui să aibă loc la 40 Hz. Frecvențele sub 40Hz ar trebui să aibă atenuare mică sau deloc în forma de undă, dar pe măsură ce frecvența crește peste 40 Hz, câștigul ar trebui să continue să se declanșeze.

Pasul 5: Asamblarea etapelor circuitului

După ce ați construit fiecare etapă a circuitului și le-ați testat independent, le puteți conecta pe toate. Ieșirea amplificatorului de instrumentație ar trebui să fie conectată la intrarea filtrului de notch. Ieșirea filtrului de notch trebuie conectată la intrarea filtrului de trecere jos.

Pentru a testa circuitul, conectați intrarea generatorului de funcții la intrarea etapei amplificatorului de instrumentație. Observați intrarea și ieșirea circuitului pe un osciloscop. Puteți testa cu o undă ECG pre-programată de la generatorul de funcții sau cu o undă sinusoidală și puteți observa efectele circuitului dvs. În imaginea osciloscopului de mai sus, curba galbenă este forma de undă de intrare, iar curba verde este ieșirea.

După ce ați conectat toate etapele circuitului și ați demonstrat că funcționează corect, puteți conecta ieșirea circuitului dvs. la placa DAQ și puteți începe programarea în LabVIEW.

Pasul 6: Programul LabVIEW

Codul LabVIEW este de a detecta bătăile pe metru dintr-o undă ECG simulată la diferite frecvențe. Pentru a programa în LabVIEW trebuie să identificați mai întâi toate componentele. Un convertor analog-digital, cunoscut și sub numele de placă de achiziție de date (DAQ), trebuie configurat și setat să ruleze continuu. Semnalul de ieșire din circuit este conectat la intrarea plăcii DAQ. Graficul de formă de undă din programul LabVIEW este conectat direct la ieșirea asistentului DAQ. Ieșirea din datele DAQ merge și la identificatorul max / min. Semnalul trece apoi printr-un operator aritmetic de multiplicare. Indicatorul numeric de 0,8 este utilizat pentru a calcula valoarea pragului. Când semnalul depășește 0,8 * Maxim, este detectat un vârf. Oricând a fost găsită această valoare, a fost stocată în matricea index. Cele două puncte de date sunt stocate în matricea index și sunt introduse în operatorul aritmetic de scădere. Modificarea timpului a fost constatată între aceste două valori. Apoi, pentru a calcula ritmul cardiac, 60 este împărțit la diferența de timp. Un indicator numeric, care este afișat lângă graficul de ieșire, transmite ritmul cardiac în bătăi pe minut (bpm) al semnalului de intrare. Odată ce programul este configurat, totul ar trebui să fie plasat într-o buclă while continuă. Diferite intrări de frecvență dau valori bpm diferite.

Pasul 7: Colectați date ECG

Acum puteți introduce un semnal ECG simulat în circuitul dvs. și puteți înregistra date în programul LabVIEW! Schimbați frecvența și amplitudinea ECG simulat pentru a vedea cum vă afectează datele înregistrate. Pe măsură ce schimbați frecvența, ar trebui să vedeți o modificare a ritmului cardiac calculat. Ați proiectat cu succes un monitor ECG și ritmul cardiac!

Pasul 8: Îmbunătățiri suplimentare

Dispozitivul construit va funcționa bine pentru a obține semnale ECG simulate. Cu toate acestea, dacă doriți să înregistrați semnale biologice (asigurați-vă că urmați măsurile de siguranță adecvate), ar trebui făcute modificări suplimentare circuitelor pentru a îmbunătăți citirea semnalului. Ar trebui adăugat un filtru de trecere înaltă pentru a elimina artefactele de deplasare DC și mișcări de joasă frecvență. Câștigul amplificatorului de instrumentație ar trebui, de asemenea, să fie redus de zece ori pentru a rămâne în intervalul utilizabil pentru LabVIEW și amplificatoarele op.

Surse

[1] S. Meek și F. Morris, „Introducere. II - terminologia de bază.,”BMJ, vol. 324, nr. 7335, pp. 470-3, februarie 2002.

[2] Chia-Hung Lin, Caracteristici ale domeniului de frecvență pentru discriminarea în ECG folosind clasificatorul gri bazat pe analiza relațională, În computere și matematică cu aplicații, volumul 55, numărul 4, 2008, paginile 680-690, ISSN 0898-1221, [3] „Filtru de a doua ordine | Proiectare filtru trece jos de ordinul doi.” Tutoriale de electronică de bază, 9 septembrie 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…