Înregistrarea semnalelor bioelectrice: ECG și monitorul ritmului cardiac: 7 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.

O electrocardiogramă (ECG) este un test în care electrozii de suprafață sunt așezați pe un subiect într-un mod specific pentru a detecta și măsura activitatea electrică a inimii subiectului [1]. Un ECG are multe utilizări și poate funcționa pentru a ajuta la diagnosticarea afecțiunilor cardiace, teste de stres și observare în timpul intervenției chirurgicale. Un ECG poate detecta, de asemenea, modificări ale bătăilor inimii, aritmii, atac de cord și multe alte experiențe și boli [1] descrise, de asemenea, în afirmația problemei de mai sus. Semnalul cardiac măsurat de un ECG produce trei forme de undă distincte care descriu un flux viu al inimii funcționale. Acestea sunt prezentate în imaginea de mai sus.

Obiectivul acestui proiect este de a crea un dispozitiv care poate obține semnalul ECG de la un generator de ieșire sau de la om și de a reproduce semnalul în timp ce elimină zgomotul. Ieșirea sistemului va calcula, de asemenea, BPM.

Să începem!

Pasul 1: Adunați toate materialele

Pentru a crea acest ECG, vom crea un sistem care constă din două părți majore, circuitul și sistemul LabVIEW. Scopul circuitului este să ne asigurăm că primim semnalul pe care îl dorim. Există o mulțime de zgomot ambiental care poate sufoca semnalul nostru ECG, deci trebuie să ne amplificăm semnalul, precum și să filtrăm orice zgomot. După ce semnalul a fost filtrat și amplificat prin circuit, putem trimite semnalul rafinat către un program LabVIEW care va afișa forma de undă și va calcula BPM. Pentru acest proiect sunt necesare următoarele materiale:

-Rezistor, condensator și amplificator operațional (op-amperi - s-au folosit UA741) componente electrice

-Panou fără sudură pentru construcție și testare

-Alimentare DC pentru a furniza energie amplificatoarelor de operare

-Generator de funcții pentru a furniza semnal bioelectric

-Osciloscop pentru vizualizarea semnalului de intrare

-Comandă DAQ pentru a converti semnalul de la analog la digital

-LabVIEW software pentru observarea semnalului de ieșire

-NBC și cabluri cu capăt variabil

Pasul 2: Proiectarea circuitului

După cum tocmai am discutat, este necesar să ne filtrăm și să ne amplificăm semnalul. Pentru a face acest lucru, putem configura 3 etape diferite ale circuitului nostru. În primul rând, trebuie să ne amplificăm semnalul. Acest lucru se poate face utilizând un amplificator de instrumentație. În acest fel, semnalul nostru de intrare poate fi văzut mult mai bine în produsul final. Trebuie să avem apoi un filtru de notch în serie cu acest amplificator de instrumentație. Filtrul cu crestături va fi folosit pentru a elimina zgomotul de la sursa noastră de energie. După aceea, putem avea un filtru low-pass. Întrucât citirile ECG sunt de obicei de frecvență joasă, dorim să întrerupem toate frecvențele care se află la o frecvență care se află în afara limitelor noastre de citire a ECG, așa că folosim un filtru de trecere joasă. Aceste etape sunt explicate mai detaliat în pașii următori.

Dacă aveți probleme cu circuitul dvs., cel mai bine este să vă simulați circuitul într-un program online. În acest fel, puteți verifica dacă calculele pentru rezistență și valorile condensatorului sunt corecte.

Pasul 3: Proiectarea amplificatorului de instrumentație

Pentru a observa semnalul bioelectric mai eficient, semnalul trebuie amplificat. Pentru acest proiect, câștigul pentru realizarea generală este de 1000 V / V. Pentru a atinge câștigul specificat de la amplificatorul de instrumentație, valorile rezistenței circuitului au fost calculate prin următoarele ecuații:

(Etapa 1) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(Etapa 2) K2 = -R4 / R3

Unde fiecare etapă este înmulțită pentru a calcula câștigul global. Valorile rezistorului alese pentru a crea un câștig de 1000 V / V sunt R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms și R4 = 330 kOhms. Utilizați sursa de alimentare DC pentru a da o gamă de tensiune de +/- 15 V (menținând limita de curent scăzută) pentru a alimenta op-amperii circuitului fizic. Dacă doriți să verificați valorile adevărate ale rezistențelor sau doriți să obțineți acest câștig înainte de a construi, puteți simula circuitul folosind un program precum PSpice sau CircuitLab online sau puteți utiliza un osciloscop cu o tensiune de semnal de intrare dată și verificați dacă este adevărat câștig după construirea unui amplificator fizic. Conectați generatorul de funcții și osciloscopul la amplificator pentru a rula circuitul.

Fotografia de mai sus descrie cum arată circuitul în software-ul de simulare PSpice. Pentru a verifica dacă circuitul dvs. funcționează corect, furnizați o undă sinusoidală vârf-la-vârf de 10 kV de 1 kHz de la generatorul de funcții, prin circuit și către osciloscop. O undă sinusoidală de vârf la vârf de 10 V trebuie observată pe osciloscop.

Pasul 4: Proiectarea filtrului Notch

O problemă specifică atunci când se tratează acest circuit este faptul că un semnal de zgomot de 60 Hz este produs de liniile de alimentare din Statele Unite. Pentru a elimina acest zgomot, semnalul de intrare în circuit trebuie să fie filtrat la 60 Hz și ce modalitate mai bună de a face asta decât cu un filtru de notch!

Un filtru cu crestături (circuitul descris mai sus) este un anumit tip de filtru electric care poate fi utilizat pentru a elimina o anumită frecvență dintr-un semnal. Pentru a elimina semnalul de 60 Hz, am calculat următoarele ecuații:

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

R3 = (R1 * R2) / (R1 + R2)

Q = w / B

B = w2 - w1

Folosind un factor de calitate (Q) de 8 pentru a proiecta un filtru decent, o capacitate (C) de 0,033 uFarads pentru o asamblare mai ușoară și o frecvență centrală (w) de 2 * pi * 60 Hz. Acest lucru a calculat cu succes valorile pentru rezistențele R1 = 5.024 kOhms, R2 = 1.2861 MOhms și R3 = 5.004 kOhms și a creat cu succes un filtru pentru a elimina o frecvență de 60 Hz din semnalul bioelectric de intrare. Dacă doriți să verificați filtrul, puteți simula circuitul folosind un program cum ar fi PSpice sau CircuitLab online sau puteți utiliza un osciloscop cu o tensiune de semnal de intrare dată și verificați semnalul eliminat după construirea unui amplificator fizic. Conectați generatorul de funcții și osciloscopul la amplificator pentru a rula circuitul.

Efectuarea unei curgeri de curent alternativ cu acest circuit pe o gamă de frecvențe de la 1 Hz la 1 kHz la un semnal de vârf la vârf de 1 V ar trebui să producă o caracteristică de tip „notch” la 60 Hz în graficul de ieșire, care este eliminat de la intrare semnal.

Pasul 5: Proiectarea filtrului Low Pass

Etapa finală a circuitului este filtrul trece jos, în special un filtru trece jos Butterworth de ordinul doi. Acesta este folosit pentru a izola semnalul nostru ECG. Formele de undă ECG sunt de obicei în limitele frecvenței de la 0 la ~ 100 Hz. Deci, ne calculăm valorile rezistenței și condensatorului pe baza frecvenței de întrerupere de 100 Hz și a unui factor de calitate de 8, ceea ce ne-ar oferi un filtru relativ precis.

R1 = 2 / (w [aC2 + sqrt (a2 + 4b (K-1))

C2 ^ 2-4b * C1 * C2) R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2)

C1 <= C2 [a ^ 2 + 4b (K-1)] / 4b

Valorile pe care le-am calculat au ajuns să fie R1 = 81.723kOhms, R2 = 120.92kOHms, C1 = 0.1 microFarads și C2 = 0.045 microFarads. Alimentați amplificatoarele operaționale cu o tensiune continuă de + și - 15V. Dacă doriți să verificați filtrul, puteți simula circuitul folosind un program cum ar fi PSpice sau CircuitLab online sau puteți utiliza un osciloscop cu o tensiune de semnal de intrare dată și verificați semnalul eliminat după construirea unui amplificator fizic. Conectați generatorul de funcții și osciloscopul la amplificator pentru a rula circuitul. La frecvența de întrerupere, ar trebui să vedeți o magnitudine de -3 dB. Acest lucru indică faptul că circuitul dvs. funcționează corect.

Pasul 6: Configurarea LabVIEW

Acum că circuitul a fost creat, vrem să putem interpreta semnalul nostru. Pentru a face acest lucru, putem utiliza LabVIEW. Un asistent DAQ poate fi folosit pentru a obține semnalul din circuit. După deschiderea LabVIEW, configurați circuitul așa cum se arată în diagrama de mai sus. Asistentul DAQ va prelua această citire de intrare din circuit și semnalul va merge la graficul formei de undă. Acest lucru vă va permite să vedeți forma de undă ECG!

Apoi vrem să calculăm BPM. Setul de mai sus va face acest lucru pentru dvs. Programul funcționează luând mai întâi valorile maxime ale semnalului ECG de intrare. Valoarea prag ne permite să detectăm toate noile valori care intră care ating un procent din valoarea noastră maximă (în acest caz, 90%). Locațiile acestor valori sunt apoi trimise matricei de indexare. Deoarece indexarea începe de la 0, vrem să luăm punctele 0 și 1 și să calculăm schimbarea de timp dintre ele. Acest lucru ne oferă timpul dintre bătăi. Apoi extrapolăm aceste date pentru a găsi BPM. În mod specific, acest lucru se realizează prin înmulțirea ieșirii din elementul dt și a ieșirii scăderii între cele două valori din matricile de indexare și apoi împărțirea la 60 (deoarece convertim la minute).

Pasul 7: Conectează-le pe toate și testează-le

Conectați circuitul la intrarea plăcii DAQ. Acum semnalul pe care îl introduceți va trece prin circuit către placa DAQ, iar programul LabVIEW va emite forma de undă și BPM calculat.

Felicitări!