Monitor ECG și ritm cardiac: 7 pași (cu imagini)

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.

Unul dintre cele mai importante instrumente de diagnostic utilizate pentru detectarea acestor afecțiuni este electrocardiograma (ECG). O electrocardiogramă funcționează urmărind impulsul electric prin inimă și transmitându-l înapoi la mașină [1]. Semnalul este preluat de la electrozii așezați pe corp. Amplasarea electrozilor este crucială pentru preluarea semnalelor fiziologice, deoarece acestea funcționează prin înregistrarea diferenței de potențial în corp. Amplasarea standard a electrozilor este utilizarea triunghiului Einthoven. Aici este plasat un electrod pe brațul drept, brațul stâng și piciorul stâng. Piciorul stâng acționează ca un sol pentru electrozi și preia zgomotul de frecvență din corp. Brațul drept are un electrod negativ, iar stânga are un electrod pozitiv pentru a calcula diferența de potențial pe piept și, prin urmare, pentru a prelua energia electrică din inimă [2]. Obiectivul acestui proiect a fost crearea unui dispozitiv care să poată dobândi cu succes un semnal ECG și reproduce clar semnalul fără zgomot și cu adăugarea unei măsurători a ritmului cardiac.

Pasul 1: Materiale și instrumente

• Diferite rezistențe și condensatori
• Pană de pâine
• Generator de funcții
• Osciloscop
• Alimentare DC
• Amplificatoare op
• Computer cu LABView instalat
• Cabluri BNC
• Asistent DAQ

Pasul 2: Construiți un amplificator de instrumentație

Pentru a amplifica în mod adecvat semnalul bioelectric, câștigul general al amplificatorului de instrumente cu două trepte ar trebui să fie 1000. Fiecare etapă este înmulțită pentru a obține câștigul general, iar ecuațiile utilizate pentru calcularea etapelor individuale sunt prezentate mai jos.

Câștig Etapa 1: K1 = 1 + 2 * R2 / R1 Câștig Etapa 2: K2 = -R4 / R3

Folosind ecuațiile de mai sus, valorile rezistenței pe care le-am folosit au fost R1 = 10kΩ, R2 = 150kΩ, R3 = 10kΩ și R4 = 33kΩ. Pentru a vă asigura că aceste valori vor oferi ieșirea dorită, o puteți simula online sau o puteți testa folosind un osciloscop după construirea amplificatorului fizic.

După conectarea rezistențelor selectate și a amplificatoarelor de operare în panoul de verificare, va trebui să alimentați amplificatorii de operare ± 15V de la o sursă de curent continuu. Apoi, conectați generatorul de funcții la intrarea amplificatorului de instrumentație și osciloscopul la ieșire.

Fotografia de mai sus arată că amplificatorul de instrumentație complet va arăta ca în panou. Pentru a verifica dacă funcționează corect, setați generatorul de funcții să producă o undă sinusoidală la 1kHz cu o amplitudine de vârf la vârf de 20 mV. Ieșirea de la amplificatorul de pe osciloscop ar trebui să aibă o amplitudine de vârf la vârf de 20 V, deoarece există un câștig de 1000, dacă funcționează corect.

Pasul 3: Creați un filtru de notch

Datorită zgomotului liniilor electrice, a fost necesar un filtru pentru a elimina zgomotul la 60Hz, care este zgomotul liniilor electrice din Statele Unite. A fost utilizat un filtru de notch, deoarece filtrează o anumită frecvență. Următoarele ecuații au fost utilizate pentru a calcula valorile rezistenței. Un factor calitativ (Q) de 8 a funcționat bine, iar valorile condensatorilor de 0,1 uF au fost alese pentru ușurința construcției. Frecvența în ecuații (descrisă ca w) este frecvența de notch 60Hz înmulțită cu 2π.

R1 = 1 / (2QwC)

R2 = 2Q / (wC)

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

Folosind ecuațiile de mai sus, valorile rezistenței pe care le-am utilizat au fost R1 = 1,5kΩ, R2 = 470kΩ și R3 = 1,5kΩ. Pentru a vă asigura că aceste valori vor oferi ieșirea dorită, o puteți simula online sau o puteți testa folosind un osciloscop după construirea amplificatorului fizic.

Imaginea de mai sus arată cum va arăta filtrul de notch completat în panoul de verificare. Configurarea pentru amplificatoare de operare este aceeași cu amplificatorul de instrumentație și generatorul de funcții ar trebui acum să fie setat pentru a produce o undă sinusoidală la 1kHz cu o amplitudine de vârf la vârf de 1V. Dacă efectuați un AC Sweep, ar trebui să puteți verifica dacă frecvențele în jur de 60Hz sunt filtrate.

Pasul 4: Construiți un filtru Low Pass

Pentru a filtra zgomotul de înaltă frecvență care nu este legat de ECG, a fost creat un filtru trece-jos cu o frecvență de întrerupere de 150 Hz.

R1 = 2 / (w [aC2 + sqrt (a2 + 4b (K-1)) C2 ^ 2-4b * C1 * C2)

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

R3 = K (R1 + R2) / (K-1)

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

R4 = K (R1 + R2)

Folosind ecuațiile de mai sus, valorile rezistenței pe care le-am utilizat au fost R1 = 12kΩ, R2 = 135kΩ, C1 = 0,01 µF și C2 = 0,068 µF. Valorile pentru R3 și R4 au ajuns să fie zero, deoarece am dorit ca câștigul, K, al filtrului să fie zero, prin urmare am folosit fire în loc de rezistențe aici în configurarea fizică. Pentru a vă asigura că aceste valori vor oferi ieșirea dorită, o puteți simula online sau o puteți testa folosind un osciloscop după construirea amplificatorului fizic.

Pentru a construi filtrul fizic, conectați rezistențele și condensatoarele alese la op-amp așa cum se arată în schemă. Alimentați amplificatorul opțional și conectați generatorul de funcții și osciloscopul în același mod descris în pașii anteriori. Setați generatorul de funcții să producă o undă sinusoidală la 150Hz și cu o amplitudine vârf-la-vârf de aproximativ 1 V. Deoarece 150Hz ar trebui să fie frecvența de întrerupere, dacă filtrul funcționează corect, magnitudinea ar trebui să fie 3dB la această frecvență. Acest lucru vă va spune dacă filtrul este configurat corect.

Pasul 5: Conectați toate componentele împreună

După construirea fiecărei componente și testarea lor separat, toate pot fi conectate în serie. Conectați generatorul de funcții la intrarea amplificatorului de instrumentație, apoi conectați ieșirea acestuia la intrarea filtrului de notch. Faceți acest lucru din nou conectând ieșirea filtrului de notch la intrarea filtrului trece-jos. Ieșirea filtrului trece-jos ar trebui apoi conectată la osciloscop.

Pasul 6: Configurați LabVIEW

Forma de undă a bătăilor inimii ECG a fost apoi capturată folosind un asistent DAQ și LabView. Un asistent DAQ capătă semnale analogice și definește parametrii de eșantionare. Conectați asistentul DAQ la generatorul de funcții care transmite un semnal cardiac arb și la computer cu LabView. Configurați LabView în conformitate cu schema prezentată mai sus. Asistentul DAQ va introduce valul cardiac de la generatorul de funcții. Adăugați și graficul de formă de undă la configurația LabView pentru a vizualiza graficul. Utilizați operatori numerici pentru a seta un prag pentru valoarea maximă. În schema prezentată a fost utilizat 80%. Analiza vârfurilor ar trebui, de asemenea, utilizată pentru a găsi locațiile de vârf și pentru a le lega de schimbarea timpului. Înmulțiți frecvența de vârf cu 60 pentru a calcula bătăile pe minut, iar acest număr a fost scos lângă grafic.

Pasul 7: Acum puteți înregistra un ECG

[1] „Electrocardiogramă - Centrul de informații despre inimă al Texas Heart Institute”. [Pe net]. Disponibil: https://www.texasheart.org/HIC/Topics/Diag/diekg.cfm. [Accesat: 09 decembrie 2017].

[2] „ECG conduce, polaritatea și triunghiul lui Einthoven - Fiziologul student”. [Pe net]. Disponibil: https://thephysiologist.org/study-materials/the-ecg-leads-polarity-and-einthovens-triangle/. [Accesat: 10 decembrie 2017].