Circuito di raccolta ECG: 5 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 tecniche di isolamento adeguate

Forse la misurazione fisiologica più diffusa nel settore sanitario di oggi è l'elettrocardiogramma (ECG/ECG). È difficile camminare in un ospedale o in un pronto soccorso senza sentire il tradizionale "beep" di un cardiofrequenzimetro o vedere la forma d'onda dell'ECG scorrere sullo schermo nella stanza di un paziente. Ma qual è questa misurazione che è diventata così associata all'assistenza sanitaria moderna?

L'elettrocardiogramma viene spesso scambiato per la registrazione dell'attività fisica del cuore, tuttavia, come suggerisce il nome, in realtà è una registrazione dell'attività elettrica, la depolarizzazione e la ripolarizzazione, dei muscoli cardiaci. Analizzando la forma d'onda registrata, i medici sono in grado di ottenere informazioni sul comportamento del sistema elettrico del cuore. Alcune diagnosi comuni fatte dai dati ECG includono: infarto miocardico, embolia polmonare, aritmie e blocchi AV.

Il seguente Instructable delineerà il processo e i principi utilizzati per costruire un circuito elettrico di base in grado di raccogliere un ECG con l'uso di semplici elettrodi di superficie come si fa negli ospedali.

Passaggio 1: progettare un amplificatore per strumentazione

Il primo elemento del circuito richiesto per registrare il segnale ECG è un amplificatore per strumentazione. Questo amplificatore ha due effetti.

1. Crea un buffer elettronico tra gli elettrodi di registrazione e il resto del circuito. Ciò riduce praticamente a zero l'assorbimento di corrente richiesto dagli elettrodi. Consentendo la raccolta del segnale con una distorsione minima causata dall'impedenza di ingresso.

2. Amplifica in modo differenziale il segnale registrato. Ciò significa che qualsiasi segnale comune in entrambi gli elettrodi di registrazione non verrà amplificato, mentre le differenze (le parti importanti) lo saranno.

In genere le registrazioni degli elettrodi di superficie per un ECG saranno nell'intervallo dei milliVolt. Pertanto, per ottenere questo segnale in un intervallo possiamo lavorare con un'amplificazione (K) di 1000 V/V sarà appropriato.

Le equazioni di governo per l'amplificatore illustrato sopra sono:

K1 = 1 + 2*R2 / R1, questo è il guadagno dello stadio 1

K2 = - R4/R3, questo è il guadagno dello stadio 2

Si noti che idealmente, K1 e K2 dovrebbero essere approssimativamente uguali e per ottenere l'amplificazione desiderata K1 * K2 = 1000

I valori finali utilizzati nel nostro circuito erano….

R1 = 6,5 kOhm

R2 = 100 kOhm

R3 = 3,17 kOhm

R4 = 100 kOhm

Passaggio 2: progettazione di un filtro notch

È probabile che nel mondo moderno la raccolta dell'ECG venga effettuata vicino ad altri dispositivi elettronici, o anche solo in un edificio alimentato con elettricità dalle linee elettriche locali. Sfortunatamente, la natura ad alta tensione e oscillante della potenza fornita fa sì che produca una grande quantità di "rumore" elettrico praticamente in qualsiasi materiale conduttivo che si trova vicino ad essa; questo include i fili e gli elementi del circuito utilizzati per costruire il nostro circuito di raccolta ECG.

Per contrastare ciò, qualsiasi segnale con una frequenza pari a quella del rumore generato dall'alimentazione locale (chiamato ronzio di rete) può essere semplicemente filtrato e sostanzialmente rimosso. Negli Stati Uniti, la rete elettrica fornisce 110-120 V con una frequenza di 60 Hz. Pertanto, dobbiamo filtrare qualsiasi componente del segnale con una frequenza di 60 Hz. Fortunatamente, questo è stato fatto molte volte prima e richiede solo la progettazione di un filtro notch (nella foto sopra).

Le equazioni che governano questo filtro sono….

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

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

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

Q = w / B

dove wc2 è la frequenza di taglio alta, w2 la frequenza di taglio bassa, w la frequenza di taglio in rad/sec e Q un fattore di qualità

Nota che C è un valore che può essere scelto liberamente. I seguenti valori utilizzati nel nostro circuito sono stati:

R1 = 1,65 kOhm

R2 =424,5 kOhm

Q = 8

w = 120 * pi rad/sec

Passaggio 3: filtro passa basso

I segnali ECG hanno una frequenza di circa 0 - 150Hz. Per evitare che più rumore si accoppi al segnale da cose con una frequenza più alta di questo intervallo, è stato implementato un filtro ButterWorth passa basso del secondo ordine con un taglio di 150Hz per consentire solo al segnale ECG di passare attraverso il circuito. Invece di scegliere immediatamente un valore del condensatore prontamente disponibile, come i componenti precedenti, il primo valore del condensatore, C2, è stato scelto in base alla formula trovata di seguito. Da quel valore, tutti gli altri valori dei componenti potrebbero essere calcolati e quindi aggiunti al circuito mantenendo il guadagno nuovamente a 1V/V.

C2 ≈ 10/fc uf, dove fc è la frequenza di taglio (150 Hz in questo caso).

Quindi, i valori rimanenti possono essere calcolati come mostrato nella tabella inclusa come seconda immagine in questo passaggio.

I valori finali utilizzati per essere inseriti nello schema sopra sono:

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22,47 kOhm

R2 = 22,56 kOhm

Passaggio 4: preparazione di LabVIEW

L'unico materiale richiesto per questa sezione della raccolta ECG è un computer Windows dotato di una copia a 64 bit di LabVIEW e una scheda di condizionamento del segnale di National Instruments () con un modulo di ingresso singolo. Il diagramma a blocchi funzionale all'interno di LabVIEW dovrebbe quindi essere costruito nel modo seguente. Inizia aprendo un diagramma a blocchi funzionale vuoto.

Inserisci un blocco DAQ Assistant e regola le impostazioni come segue:

Misura: Analogico→ Tensione

Modalità: RSE

Campionamento: Campionamento continuo

Campioni raccolti: 2500

Frequenza di campionamento: 1000/sec

Invia la forma d'onda raccolta a un grafico della forma d'onda. Inoltre, calcolare il valore massimo dei dati della forma d'onda corrente. Moltiplicare il valore massimo dell'onda per un valore come 0,8 per creare una soglia per il rilevamento del picco, questo valore può essere regolato in base al livello di rumore all'interno del segnale. Immettere il prodotto del passaggio precedente come soglia e l'array di tensione grezza come dati per la funzione "Rilevamento picco". Quindi, prendi l'output "Posizione" dell'array di rilevamento del picco e sottrai il primo e il secondo valore. Questo rappresenta la differenza nei valori dell'indice dei due picchi nell'array iniziale. Questo può quindi essere convertito in una differenza di tempo dividendo il valore per la frequenza di campionamento, per il caso di esempio questo è 1000 /sec. Infine, prendi l'inverso di questo valore (dando Hz) e moltiplica per 60 per ottenere la frequenza cardiaca in battiti al minuto BPM. Il diagramma a blocchi finale per questo dovrebbe assomigliare all'immagine dell'intestazione per questo passaggio.

Passaggio 5: integrazione completa del sistema

Ora che tutti i componenti sono stati costruiti individualmente, è il momento di mettere insieme il centro commerciale. Questo può essere fatto semplicemente collegando l'uscita di una sezione all'ingresso del segmento successivo. Le fasi devono essere cablate nello stesso ordine in cui appaiono in questo Instructable. Per l'ultima fase, il filtro ButterWorth, il suo ingresso deve essere collegato a uno dei due cavi sul modulo di ingresso della scheda di condizionamento del segnale. L'altro cavo di questo modulo deve essere collegato alla massa comune dei circuiti.

Per l'amplificatore per strumentazione, le sue due derivazioni devono essere collegate ciascuna a un elettrodo ECG/ECG. Questo è fatto facilmente con l'uso di due clip a coccodrillo. Quindi, posizionare un elettrodo su ciascun polso. Assicurati che tutti i segmenti del circuito siano collegati e che LabVIEW VI sia in esecuzione e che il sistema emetta un grafico della forma d'onda nella finestra di LabVIEW.

L'output dovrebbe essere simile alla seconda immagine fornita in questo passaggio. Se non è simile, potrebbe essere necessario regolare i valori del circuito. Un problema comune è che il filtro notch non sarà centrato direttamente a 60 Hz e potrebbe essere leggermente alto/basso. Questo può essere verificato creando un diagramma di bode per il filtro. Idealmente, il filtro notch avrà un'attenuazione di almeno 20 dB a 60 Hz. Potrebbe anche essere utile verificare che l'alimentazione locale sia fornita a 60 Hz. Non è raro che alcune aree abbiano alimentatori CA a 50 Hz, ciò richiederebbe di centrare il filtro notch attorno a questo valore.