Crea il tuo elettrocardiogramma (ECG): 6 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

AVVISO:

Questo non è un dispositivo medico. Questo è solo a scopo didattico, utilizzando segnali simulati. Se si utilizza questo circuito per misurazioni ECG reali, assicurarsi che il circuito e le connessioni circuito-strumento utilizzino l'alimentazione a batteria e altre tecniche di isolamento adeguate.

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Passaggio 1: conosci le tue cose

L'elettrocardiogramma (ECG) è uno strumento importante utilizzato dai medici per monitorare l'attività elettrica del cuore. È utile per catturare qualsiasi cosa, dai ritmi cardiaci anormali alla diagnosi dell'insufficienza termica. Seguendo questo Instructable, sarai in grado di costruire un dispositivo che visualizza l'elettrocardiogramma di una persona utilizzando solo le abilità di base del breadboard e l'attrezzatura generale del laboratorio di elettronica. Una volta che hai un buon segnale in uscita, puoi usare questo stesso segnale per calcolare la frequenza cardiaca o un'altra metrica interessante usando un microcontrollore.

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Se non sai cos'è un ECG, è semplicemente una registrazione dell'attività del cuore. A causa della natura elettrica delle contrazioni del cuore, è possibile registrare la variazione di tensione posizionando degli elettrodi sulla pelle ed elaborando il segnale. Il grafico di queste tensioni nel tempo è chiamato elettrocardiogramma (ECG in breve). Gli ECG vengono in genere utilizzati per diagnosticare varie forme di insufficienza cardiaca o per monitorare passivamente lo stress del paziente. Un ECG sano ha caratteristiche specifiche che sono universali tra gli esseri umani. (Questo include un'onda P, un'onda Q, un'onda R, un'onda S, un'onda T e un complesso QRS.) Ho fornito un diagramma semplificato di un ECG con la corrispondente reazione del cuore.

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Si noti che ogni evento elettrico che si verifica nei nervi del cuore corrisponde a un evento fisico che si verifica di conseguenza nel tessuto muscolare e mentre una parte del cuore si contrae, le altre parti si rilassano. In questo modo, la tempistica dei segnali elettrici è molto importante nel cuore, il che rende un ECG uno strumento molto potente per misurare la salute del cuore.

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Tuttavia, per registrare un vero ECG, entrano in gioco molti problemi logistici come la dimensione del segnale, la quantità di rumore proveniente dal resto del corpo e la quantità di rumore proveniente dall'ambiente. Per compensare ciò, stiamo progettando un circuito che sarà composto da 3 parti: un amplificatore differenziale per aumentare le dimensioni del nostro segnale, un filtro passa basso per eliminare il rumore dei segnali ad alta frequenza e un filtro notch per rimuovere il rumore a 60 Hz che è sempre presente negli edifici forniti di corrente alternata. Descriverò l'orologio di questi passaggi in dettaglio di seguito.

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Passaggio 2: raccogli i tuoi rifornimenti

Per questo progetto avrai bisogno di:

- 1 breadboard grande (averne 2 o più sarà comunque più carino)

- 5 amplificatori operazionali generici

(Ho usato l'UA741 con +-15 V, assicurati solo che quelli che scegli possano gestire 15 volt altrimenti dovrai regolare i valori dei tuoi componenti passivi e dovrai accontentarti di una minore amplificazione)

Resistori

o 2x 165 ohm

o 3x 1k ohm

o 2x 15k ohm

o 2x 33k ohm

o 1x 42k ohm

o 2x 60k ohm

Condensatori

o 2x 22nF

o 2x 1μF

o 1x 2Μf

- Una pletora o ponticelli

- Una sorgente di tensione CC in grado di fornire +-15 V

- Un generatore di funzioni e un oscilloscopio (principalmente per la risoluzione dei problemi)

- Almeno tre elettrodi adesivi se prevedi di registrare un ECG reale

- Abbastanza cavi per collegare tutte queste sciocchezze

- Una solida conoscenza di circuiti, amplificatori operazionali ed esperienza con il breadboard.

Se hai appena ricevuto una breadboard per il tuo compleanno e stai cercando di creare qualcosa di interessante, fai almeno alcune build più semplici prima di provarlo.

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Passaggio 3: costruisci l'amplificatore differenziale

L'amplificatore differenziale è ciò che amplificherà il nostro segnale registrato a un livello utilizzabile per essere visualizzato su un oscilloscopio o uno schermo. Questo design del circuito prenderà la differenza di tensione dai due elettrodi di ingresso e la amplificherà. Questo viene fatto per ridurre il rumore, poiché il rumore comune tra gli elettrodi verrà eliminato. Il segnale ECG varierà in ampiezza a seconda del posizionamento degli elettrodi di registrazione e dell'individuo, ma in genere è dell'ordine di pochi millivolt quando si registra dai polsi. (Anche se non è necessario per questa configurazione, l'ampiezza del segnale può essere aumentata posizionando gli elettrodi sul torace, ma il compromesso è il rumore del movimento polmonare.)

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Ho incluso uno schema della configurazione. Il circuito nell'immagine dovrebbe amplificare il segnale ~ 1000 volte. Potrebbe essere necessario regolarlo a seconda del tipo di amplificatore operazionale che hai deciso di utilizzare. Un modo rapido per regolarlo è modificare il valore di R1. Dimezzando il valore di R1 si raddoppierà il guadagno in uscita e viceversa.

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Presumo che la maggior parte di voi possa tradurre questo circuito sulla breadboard, tuttavia ho incluso un diagramma della configurazione della breadboard per semplificare il processo e, si spera, ridurre i tempi di risoluzione dei problemi. Ho anche incluso un'immagine del pinout UA741 (o LM741) per tua comodità. (per i tuoi scopi non avrai bisogno dei pin 1, 5 o 8) I pin V+ e V- sull'amplificatore operazionale saranno collegati rispettivamente alla tua alimentazione +15 V e -15 V. -15V non è lo stesso di terra! Puoi ignorare i condensatori sulla mia breadboard. Sono condensatori di bypass pensati per rimuovere il rumore CA, ma in retrospettiva non ne valeva la pena.

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Raccomando di testare ogni fase mentre la completi per risolvere i problemi. Come mostra il circuito, è possibile collegare uno degli ingressi a terra e l'altro a una piccola sorgente CC per verificare l'amplificazione. (assicurati di inserire <15 mV altrimenti saturerai gli amplificatori operazionali). Se hai bisogno di ridurre il tuo guadagno per i test, non preoccuparti, qualsiasi cosa al di sopra di 500 volte sarà sufficiente per i nostri scopi. Inoltre, se hai costruito il tuo circuito per avere un guadagno di 1000 e mostra solo un guadagno di 800, non è la fine del mondo, il numero esatto non è critico.

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Passaggio 4: crea il filtro notch

Ora che possiamo amplificare il nostro segnale, diamo un'occhiata a ripulirlo. Se collegassi gli elettrodi al nostro circuito in questo momento, probabilmente avrebbe una tonnellata di rumore a 60 Hz. Questo perché la maggior parte degli edifici è cablata con una corrente CA a 60 Hz che causa inevitabilmente grandi segnali di rumore. Per rimediare, costruiremo un filtro notch a 60 Hz. Un filtro notch è progettato per attenuare frequenze molto specifiche e lasciare intatte altre frequenze; perfetto per eliminare il rumore a 60 Hz.

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Come prima, ho incluso un'immagine dello schema del circuito, della configurazione della breadboard e del mio circuito. Come nota, mentre il filtro notch è una fase relativamente facile da costruire, mi ci è voluto più tempo per iniziare a lavorare. Il mio input veniva attenuato bene, ma a 63 Hz invece di 60 Hz, il che non lo taglierebbe. Se riscontri lo stesso problema, ti consiglio di modificare il valore di R14. (L'aumento della resistenza di R14 abbasserà la frequenza di attenuazione e viceversa). Se hai una scatola di resistori variabili, usala per sostituire R14, quindi gioca con i valori di resistenza per scoprire esattamente cosa funziona meglio, poiché sarà sensibile ai cambiamenti nell'ordine di un singolo ohm. Ho finito con un R14 da 175 ohm, ma in teoria funziona meglio per abbinare R12.

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Anche in questo caso, è possibile testare questa fase utilizzando un generatore di funzioni per immettere un'onda sinusoidale a 60 Hz e registrare l'uscita su un oscilloscopio. L'uscita dovrebbe essere di circa -20 dB o il 10% dell'ampiezza dell'ingresso. Come ho detto prima, puoi controllare le frequenze vicine per l'ottimizzazione.

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Passaggio 5: crea il filtro passa-basso

Come accennato in precedenza, un altro fattore importante è ridurre il rumore proveniente dal tuo corpo e qualsiasi altra cosa stia facendo zapping nella stanza in cui ti trovi. Un filtro passa basso è bravo a farlo perché, per quanto riguarda i segnali, il tuo battito cardiaco è piuttosto lento. Il nostro obiettivo con il filtro passa basso è eliminare tutti i segnali che contengono frequenze superiori al tuo ECG. Per fare questo dobbiamo designare una "frequenza di taglio". Nel nostro caso, tutto ciò che è al di sopra di questa frequenza vogliamo eliminare e tutto ciò che è al di sotto di questa frequenza vogliamo mantenere. Mentre si verifica un battito cardiaco dell'ordine da 1 a 3 Hertz, le singole forme d'onda che compongono il nostro ECG sono costituite da frequenze molto più alte di questa; vicino a 1-50 Hertz. Per questo motivo, ho scelto una frequenza di taglio di 80 Hz. È abbastanza alto da mantenere tutti i componenti utili nel segnale, ma elimina comunque il rumore della radio HAM che hai nella stanza accanto.

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Non ho nessun saggio consiglio sul filtro passa basso, è molto semplice rispetto agli altri stadi. Analogamente all'amplificatore, non preoccuparti di ottenere un taglio preciso a 80 Hz; questo non è cruciale e non accadrà realisticamente. Tuttavia, dovresti controllarne l'output usando un generatore di funzioni. Come regola generale, un'onda sinusoidale dovrebbe passare attraverso il filtro intatta a 10 Hz e dovrebbe essere tagliata a metà di 130 Hz.

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Passaggio 6: collegalo

Se sei arrivato fin qui, congratulazioni! Hai tutti i componenti di un ECG. Tutto quello che devi fare è collegarli insieme, schiaffeggiare gli elettrodi e collegare l'uscita all'oscilloscopio per vedere il tuo ECG!

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In caso di dubbi su come applicare gli elettrodi, ti consiglio di attaccare gli elettrodi di ingresso ai polsi (uno su ciascun polso) e di collegare un elettrodo di massa alla gamba (l'immagine potrebbe essere d'aiuto). Come promemoria, ogni elettrodo di ingresso dovrebbe vai a un ingresso positivo sugli amplificatori operazionali nell'amplificatore. (È messo a terra solo nello schema elettrico per scopi di simulazione)

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Una volta connesso, collega l'uscita del filtro passa-basso a un oscilloscopio e sii orgoglioso di te stesso! Fai in modo che tutti i tuoi bambini mettano gli elettrodi e guardino i loro battiti cardiaci. Diamine, fallo provare ai tuoi vicini. Se ti senti più motivato, collega l'output a un microcontrollore per calcolare la frequenza cardiaca dal singolo. (Probabilmente vorrai abbassare l'amplificazione prima di farlo, potrebbe friggere la scheda che stai usando). Indipendentemente da ciò, complimenti per la costruzione e buona realizzazione!

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