Monitor ECG: 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 folosesc tehnici de izolare adecvate.

Electrocardiografia este procesul de înregistrare a semnalelor electrice generate de inima unui pacient pentru a obține informații despre activitatea inimii. Pentru ca semnalul electric să fie captat eficient, acesta trebuie filtrat și amplificat prin intermediul componentelor electrice. Informațiile trebuie, de asemenea, prezentate unui utilizator într-un mod clar și eficient.

Următorul Instructable prezintă modul de construire a circuitelor de amplificare / filtrare, precum și a unei interfețe cu utilizatorul. Aceasta implică construirea unui amplificator de instrumentație, un filtru de notch, un filtru de trecere jos și o interfață cu utilizatorul în LabVIEW.

Primul pas al procesului este de a defini cerințele circuitului analogic. După definirea cerințelor, se iau decizii cu privire la componentele primare care vor constitui circuitul. Mai târziu, sunt abordate detalii mai mici cu privire la caracteristicile acestor componente majore și, în cele din urmă, faza de proiectare a circuitului este încheiată prin definirea valorilor exacte ale fiecărui rezistor și condensator din circuit.

Pasul 1: Definirea cerințelor și a componentelor principale

Sarcina circuitului este de a amplifica semnalul ECG generat de pacient și de a filtra tot zgomotul asociat. Semnalul brut constă dintr-o formă de undă complexă cu o amplitudine maximă de aproximativ 2 mV și componente de frecvență în intervalul de 100 Hz până la 250 Hz în complexul QRS. Acesta este semnalul care trebuie amplificat și înregistrat.

Pe lângă acel semnal de interes, zgomotul este produs din mai multe surse. Sursele de alimentare generează zgomot de 60 Hz, iar mișcarea pacientului produce artefacte în intervalul mai mic de 1 Hz. Mai mult zgomot de înaltă frecvență este introdus din radiațiile de fundal și semnale de telecomunicații, cum ar fi telefoanele mobile și internetul wireless. Această colecție de zgomot este semnalul care trebuie filtrat.

Circuitul trebuie să amplifice mai întâi semnalul brut. Apoi trebuie să filtreze zgomotul de 60 Hz și orice alt zgomot peste 160 Hz. Filtrarea zgomotului de frecvență joasă asociată cu mișcarea pacientului este considerată inutilă, deoarece pacientul poate fi pur și simplu instruit să stea nemișcat.

Deoarece semnalul este măsurat ca diferență de potențial între doi electrozi situați pe pacient, amplificarea se realizează prin utilizarea unui amplificator de instrumentație. Un amplificator de diferență simplu ar putea fi, de asemenea, utilizat, dar amplificatoarele de instrumentație de multe ori funcționează mai bine în ceea ce privește respingerea zgomotului și toleranțele. Filtrarea la 60 Hz se realizează prin utilizarea unui filtru cu crestături, iar restul filtrării de înaltă frecvență se realizează prin utilizarea unui filtru trece-jos. Aceste trei elemente alcătuiesc întregul circuit analogic.

Cunoscând cele trei elemente ale circuitului, se pot defini detalii mai mici referitoare la câștiguri, frecvențe de tăiere și lățimi de bandă ale componentelor.

Amplificatorul de instrumentație va fi setat la un câștig de 670. Acesta este suficient de mare pentru a înregistra un semnal ECG mic, dar și suficient de mic pentru a se asigura că amplificatoarele de operare se comportă în intervalul lor liniar atunci când se testează circuitul cu semnale de aproape 20 mV, ca este minim pe unele generatoare de funcții.

Filtrul cu crestături va fi centrat pe 60 Hz.

Filtrul trece jos va avea o frecvență de întrerupere de 160 Hz. Acest lucru ar trebui să capteze în continuare majoritatea complexului QRS și să respingă zgomotul de fundal de înaltă frecvență.

Pasul 2: Amplificator de instrumentație

Schemele de mai sus descriu amplificatorul de instrumentație.

Amplificatorul are două trepte. Prima etapă constă din cele două amplificatoare de operare din stânga imaginilor de mai sus, iar a doua etapă constă din singurul amplificator de operare din dreapta. Câștigul fiecăruia dintre acestea poate fi modulat după cum ne place, dar am decis să-l construim cu un câștig de 670 V / V. Acest lucru poate fi realizat cu următoarele valori de rezistență:

R1: 100 ohmi

R2: 3300 ohmi

R3: 100 ohmi

R4: 1000 ohmi

Pasul 3: Filtru de notch

Schemele de mai sus descriu filtrul de notch. Acesta este un filtru activ, așa că am putea alege să-l facem să amplifice sau să atenueze un semnal dacă dorim, dar am realizat deja toate amplificările necesare, așa că alegem un câștig de unul pentru acest amplificator op. Frecvența centrală trebuie să fie de 60 Hz, iar factorul de calitate să fie de 8. Acest lucru se poate realiza cu următoarele valori ale componentelor:

R1: 503 ohmi

R2: 128612 Ohmi

R3: 503 ohmi

C: 0,33 microFarads

Pasul 4: Filtru de trecere redusă

Din nou, acesta este un filtru activ, deci am putea alege orice câștig dorim, dar vom alege 1. Acest lucru se realizează transformând R4 de mai sus într-un scurtcircuit, iar R3 într-un circuit deschis. Restul, ca și celelalte componente, se realizează prin utilizarea cerințelor definite anterior în combinație cu ecuațiile care guvernează circuitele pentru a obține valori individuale ale elementelor:

R1: 12056 ohmi

R2: 19873,6 Ohmi

C1: 0,047 microFarads

C2: 0,1 microFarads

Pasul 5: Proiectați circuitul complet practic

Proiectarea unui circuit într-un circuit virtual de construire a software-ului, cum ar fi PSPICE, poate fi foarte utilă în depistarea erorilor și consolidarea planurilor înainte de a trece la fabricarea reală a circuitelor analogice. În acest moment, se poate capta curent alternativ al circuitului pentru a se asigura că totul se comportă conform planului.

Pasul 6: Construiți un circuit complet

Circuitul poate fi construit în orice mod doriți, dar pentru acest caz a fost aleasă o placă de calcul.

Asamblarea pe o placă este recomandată deoarece este mai ușoară decât lipirea, dar lipirea ar oferi mai multă durabilitate. De asemenea, se recomandă plasarea unui condensator de bypass 0,1 microFarad la masă în paralel cu sursa de alimentare, deoarece acest lucru ajută la eliminarea abaterilor nedorite de la puterea constantă.

Pasul 7: Interfața de utilizator LabVIEW

Interfața de utilizator LabVIEW este un mijloc de conversie de la semnale analogice la reprezentări vizuale și numerice ale semnalului ECG, care sunt ușor de interpretat de un utilizator. O placă DAQ este utilizată pentru a converti semnalul din analog în digital, iar datele sunt importate în LabVIEW.

Software-ul este un program bazat pe obiecte care ajută la procesarea datelor și crearea interfeței. Datele sunt mai întâi reprezentate vizual prin grafic și apoi se efectuează o anumită procesare a semnalului pentru a determina frecvența bătăilor inimii, astfel încât să poată fi afișată lângă grafic.

Pentru a determina frecvența ritmului cardiac, trebuie să detectați bătăile inimii. Acest lucru poate fi realizat cu obiectul de detectare a vârfurilor Lab VIEW. Obiectul afișează indicii vârfurilor din matricea de date primită, care poate fi apoi utilizat în calcule pentru a determina timpul care trece între bătăile inimii.

Deoarece detaliile LabVIEW ar fi cu totul altfel de instructabil, vom lăsa detaliile unei alte surse. Funcționarea exactă a programului poate fi văzută în diagrama bloc prezentată mai sus.

Pasul 8: Interfața utilizatorului final LabVIEW

Interfața finală a utilizatorului afișează un semnal amplificat, filtrat, convertit și procesat, împreună cu citirea frecvenței cardiace în ritmuri pe minut