ECG automatizzato facile (1 amplificatore, 2 filtri): 7 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Un elettrocardiogramma (ECG) misura e visualizza l'attività elettrica del cuore utilizzando diversi elettrodi posizionati sulla pelle. È possibile creare un ECG utilizzando un amplificatore per strumentazione, un filtro notch e un filtro passa basso. Infine, il segnale filtrato e amplificato può essere visualizzato utilizzando il software LabView. LabView utilizza anche la frequenza in ingresso del segnale per calcolare il battito cardiaco del soggetto umano. L'amplificatore per strumentazione costruito è riuscito a prendere il piccolo segnale del corpo e ad amplificarlo a 1 V, in modo che potesse essere visualizzato sul computer utilizzando LabView. I filtri notch e passa basso sono riusciti a ridurre il rumore a 60 Hz dagli alimentatori e i segnali di interferenza sopra i 350 Hz. Il battito cardiaco a riposo è stato misurato in 75 bpm e 137 bpm dopo cinque minuti di esercizio intenso. L'ECG costruito è stato in grado di misurare i battiti cardiaci a valori realistici e visualizzare i diversi componenti di una tipica forma d'onda ECG. In futuro, questo ECG potrebbe essere migliorato modificando i valori passivi nel filtro notch per ridurre più rumore intorno a 60 Hz.

Passaggio 1: creare l'amplificatore per strumentazione

Avrai bisogno di: LTSpice (o un altro software di visualizzazione del circuito)

L'amplificatore per strumentazione è stato creato per aumentare la dimensione del segnale in modo che sia visibile e consenta l'analisi della forma d'onda.

Utilizzando R1 = 3,3 k ohm, R2 = 33 k ohm, R3 = 1 k ohm, R4 = 48 ohm si ottiene un guadagno di X. Guadagno = - R4/R3 (1+R2/R1) = -47 k/1 k (1-(33 k/3,3 k)) = -1008

Poiché nell'amplificatore operazionale finale il segnale va nel pin invertente, il guadagno è 1008. Questo progetto è stato creato in LTSpice, quindi simulato con uno sweep CA da 1 a 1kHz con 100 punti per decennio per un ingresso sinusoidale con ampiezza CA di 1V.

Abbiamo verificato che il nostro guadagno fosse simile al guadagno previsto. Dal grafico abbiamo trovato Guadagno = 10^(60/20) = 1000 che è sufficientemente vicino al nostro guadagno previsto di 1008.

Passaggio 2: crea il filtro notch

Avrai bisogno di: LTSpice (o un altro software di visualizzazione del circuito)

Un filtro notch è un tipo specifico di filtro passa basso seguito da un filtro passa alto per eliminare una frequenza specifica. Viene utilizzato un filtro notch per eliminare il rumore prodotto da tutti i dispositivi elettronici presente a 60Hz.

Sono stati calcolati i valori passivi: C =.1 uF (è stato scelto il valore) 2C =.2 uF (utilizzato condensatore da.22 uF)

Verrà utilizzato il fattore AQ di 8: R1 = 1/(2*Q*2*pi*f*C) = 1/(2*8*2*3,14159*60*.1E-6) = 1,66 kOhm (1,8 kOhm è stato utilizzato) R2 = 2Q/(2*pi*f*C) = (2*8)/(60 Hz*2*3,14159*.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm era utilizzato) Divisione di tensione: Rf = R1*R2/(R1 + R2) = 1,8 kOhm * 423 kOhm / (1,8 kOhm + 423 kOhm) = 1,79 kOhm (è stato utilizzato 1,8 kOhm)

Questo design del filtro ha un guadagno di 1, il che significa che non ci sono proprietà di amplificazione.

Inserendo i valori passivi e simulando su LTSpice con un AC Sweep e un segnale di ingresso di onda sinusoidale di 0,1 V con una frequenza CA di 1 kHz si ottiene il diagramma di Bode allegato.

Ad una frequenza di circa 60 Hz, il segnale raggiunge la sua tensione più bassa. Il filtro riesce a rimuovere il rumore a 60 Hz a una tensione impercettibile di 0,01 V e a fornire un guadagno di 1, poiché la tensione di ingresso è 0,1 V.

Passaggio 3: creare il filtro passa basso

Avrai bisogno di: LTSpice (o un altro software di visualizzazione del circuito)

È stato creato un filtro passa basso per rimuovere i segnali al di sopra della soglia di interesse che conterrebbe il segnale ECG. La soglia di interesse era compresa tra 0 e 350Hz.

Il valore del condensatore è stato scelto per essere 0,1 uF. La resistenza necessaria è calcolata per un'alta frequenza di taglio di 335 Hz: C = 0,1 uF R = 1/(2pi*0.1*(10^-6)*335 Hz) = 4,75 kOhm (è stato utilizzato 4,7 kOhm)

Inserendo i valori passivi e simulando su LTSpice con un AC Sweep e un segnale di ingresso di onda sinusoidale di 0,1 V con una frequenza CA di 1 kHz si ottiene il diagramma di Bode allegato.

Passaggio 4: creare il circuito su una breadboard

Avrai bisogno di: resistori di diverso valore, condensatori di diverso valore, amplificatori operazionali UA 471, cavi jumper, breadboard, cavi di collegamento, un alimentatore o una batteria da 9 V

Ora che hai simulato il tuo circuito, è il momento di costruirlo su una breadboard. Se non hai i valori esatti elencati, usa quello che hai o combina resistori e condensatori per ottenere i valori che ti servono. Ricorda di alimentare la breadboard utilizzando una batteria da 9 Volt o un alimentatore CC. Ogni amplificatore operazionale necessita di una sorgente di tensione positiva e negativa.

Passaggio 5: configurazione dell'ambiente LabView

Avrai bisogno di: software LabView, un computer

Per automatizzare la visualizzazione della forma d'onda e il calcolo della frequenza cardiaca, è stato utilizzato LabView. LabView è un programma utilizzato per visualizzare e analizzare i dati. L'uscita del circuito ECG è l'ingresso per LabView. I dati vengono inseriti, rappresentati graficamente e analizzati in base allo schema a blocchi disegnato di seguito.

Innanzitutto, DAQ Assistant riceve il segnale analogico dal circuito. Le istruzioni per il campionamento sono impostate qui. La frequenza di campionamento era di 1k campioni al secondo e l'intervallo era di 3k ms, quindi l'intervallo di tempo visualizzato nel grafico della forma d'onda è di 3 secondi. Il grafico della forma d'onda ha ricevuto i dati dall'assistente DAQ, quindi li traccia nella finestra del pannello frontale. La sezione inferiore del diagramma a blocchi comprende il calcolo della frequenza cardiaca. Per prima cosa vengono misurati il massimo e il minimo dell'onda. Quindi, queste misurazioni di ampiezza vengono utilizzate per determinare se si verificano picchi definiti come 95% dell'ampiezza massima e, in tal caso, viene registrato il punto temporale. Una volta rilevati i picchi, l'ampiezza e il punto temporale vengono memorizzati in array. Quindi il numero di picchi/secondi viene convertito in minuti e visualizzato sul pannello frontale. Il pannello frontale mostra la forma d'onda e i battiti al minuto.

Il circuito è stato collegato a LabVIEW tramite un ADC di National Instruments come mostrato nella figura sopra. Il generatore di funzioni ha prodotto il segnale ECG simulato che è stato immesso nell'ADC che ha trasferito i dati a LabView per la rappresentazione grafica e l'analisi. Inoltre, una volta calcolato il BPM in LabVIEW, è stato utilizzato l'indicatore numerico per stampare quel valore sul pannello frontale dell'applicazione lungo il grafico della forma d'onda, come mostrato nella figura 2.

Passaggio 6: test del circuito utilizzando il generatore di funzioni

Avrai bisogno di: circuito su breadboard, cavi di connessione, un alimentatore o una batteria da 9 V, National Instruments ADC, software LabView, un computer

Per testare la strumentazione LabView è stato inserito un ECG simulato nel circuito e l'uscita del circuito è stata collegata a LabView tramite l'ADC di National Instruments. Per prima cosa è stato immesso nel circuito un segnale di 20 mVpp a 1 Hz per simulare il battito cardiaco a riposo. Il pannello frontale di LabView è mostrato nell'immagine sottostante. L'onda P, T, U e il complesso QRS sono tutti visibili. Il BMP viene calcolato correttamente e visualizzato nell'indicatore numerico. C'è un guadagno di circa 8 V/0,02 V = 400 attraverso il circuito che è simile a quello che abbiamo visto quando il circuito è stato collegato all'oscilloscopio. Un'immagine del risultato in LabView è allegata. Successivamente, per simulare un aumento del battito cardiaco, ad esempio durante l'esercizio, è stato immesso nel circuito un segnale di 20 mVpp a 2 Hz. C'è stato un guadagno paragonabile al test alla frequenza cardiaca a riposo. Sotto la forma d'onda si vede che ha tutte le stesse parti di prima solo a una velocità maggiore. La frequenza cardiaca viene calcolata e visualizzata nell'indicatore numerico e vediamo i 120 BPM previsti.

Passaggio 7: testare il circuito utilizzando un soggetto umano

Avrai bisogno di: circuito su breadboard, cavi di collegamento, un alimentatore o una batteria da 9 V, ADC di National Instruments, software LabView, un computer, elettrodi (almeno tre), un soggetto umano

Infine, il circuito stava testando con un soggetto umano i cavi ECG in ingresso nel circuito e l'uscita del circuito in LabView. Tre elettrodi sono stati posizionati su un soggetto per ottenere un segnale reale. Gli elettrodi sono stati posizionati su entrambi i polsi e sulla caviglia destra. Il polso destro era l'input positivo, il polso sinistro era negativo e la caviglia era rettificata. Anche in questo caso i dati sono stati inseriti in LabView per l'elaborazione. La configurazione dell'elettrodo è allegata come immagine.

Innanzitutto, è stato visualizzato e analizzato il segnale ECG a riposo del soggetto. A riposo, il soggetto aveva una frequenza cardiaca di circa 75 bpm. Il soggetto ha poi svolto un'intensa attività fisica per 5 minuti. Il soggetto è stato ricollegato e il segnale sollevato è stato registrato. La frequenza cardiaca era di circa 137 bpm dopo l'attività. Questo segnale era più piccolo e aveva più rumore. Gli elettrodi sono stati posizionati su entrambi i polsi e sulla caviglia destra. Il polso destro era l'input positivo, il polso sinistro era negativo e la caviglia era rettificata. Anche in questo caso i dati sono stati inseriti in LabView per l'elaborazione.

Una persona media ha un segnale ECG di circa 1 mV. Il nostro guadagno previsto era di circa 1000, quindi ci aspetteremmo una tensione di uscita di 1V. Dalla registrazione a riposo vista nell'immagine XX, l'ampiezza del complesso QRS è approssimativamente (-0,7)- (-1,6) = 0,9 V. Ciò produce un errore del 10%. (1-0,9)/1*100 = 10% La frequenza cardiaca a riposo di un essere umano standard è 60, quella misurata era di circa 75, questo produce |60-75|*100/60 = 25% di errore. La frequenza cardiaca elevata di un essere umano standard è 120, quella misurata era di circa 137, questo produce |120-137|*100/120 = errore del 15%.

Congratulazioni! Ora hai creato il tuo ECG automatizzato.