Circuito ECG: 7 passaggi

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

Un ECG è un test che misura l'attività elettrica del cuore registrando il ritmo e l'attività del cuore. Funziona prendendo e leggendo i segnali dal cuore utilizzando cavi collegati a un elettrocardiografo. Questo Instructable ti mostrerà come costruire un circuito che registra, filtra e visualizza il segnale bioelettrico del cuore. 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.

Questo circuito contiene tre diversi stadi collegati in serie con un programma LabView. I resistori nell'amplificatore della strumentazione sono stati calcolati con un guadagno di 975 per garantire che i piccoli segnali dal cuore possano ancora essere captati dal circuito. Il filtro notch elimina il rumore a 60 Hz dalla presa di corrente nella parete. Il filtro passa basso assicura che il rumore ad alta frequenza venga rimosso dal circuito per un migliore rilevamento del segnale.

Prima di iniziare questo Instructable, sarebbe utile familiarizzare con l'amplificatore operazionale per uso generale uA741. I diversi pin dell'amplificatore operazionale hanno scopi diversi e il circuito non funzionerà se sono collegati in modo errato. Anche collegare i pin alla breadboard in modo errato è un modo semplice per friggere l'amplificatore operazionale e renderlo non funzionante. Il collegamento seguente contiene lo schema utilizzato per gli amplificatori operazionali in questo istruibile.

Fonte immagine:

Passaggio 1: raccogliere materiali

Materiali necessari per tutte e 3 le fasi del filtro:

• Oscilloscopio
• Generatore di funzioni
• Alimentazione (+15V, -15V)
• breadboard senza saldatura
• Vari cavi a banana e morsetti a coccodrillo
• Adesivi per elettrodi ECG
• Vari ponticelli

Amplificatore per strumentazione:

• 3 amplificatori operazionali (uA741)

• resistori:

  • 1 kΩ x 3
  • 12 kΩ x 2
  • 39 kΩ x 2

Filtro notch:

• 1 amplificatore operazionale (uA741)

• resistori:

  • 1,6 kΩ x 2
  • 417 kΩ

• Condensatori:

  • 100 nF x 2
  • 200 nF

Filtro passa basso:

• 1 amplificatore operazionale (uA741)

• resistori:

  • 23,8 kΩ
  • 43 kΩ

• Condensatori:

  • 22 nF
  • 47 nF

Passaggio 2: costruire l'amplificatore per strumentazione

I segnali biologici spesso emettono solo tensioni comprese tra 0,2 e 2 mV [2]. Queste tensioni sono troppo piccole per essere analizzate sull'oscilloscopio, quindi abbiamo dovuto costruire un amplificatore.

Dopo che il tuo circuito è stato costruito, prova per assicurarti che funzioni correttamente misurando la tensione su Vout (mostrato come nodo 2 nell'immagine sopra). Abbiamo usato il generatore di funzioni per inviare un'onda sinusoidale con una tensione di ampiezza di ingresso di 20 mV al nostro amplificatore per strumentazione. Qualcosa di troppo al di sopra di questo non ti darà i risultati che stai cercando perché gli amplificatori operazionali ricevevano solo una certa quantità di potenza di -15 e +15 V. Confronta l'uscita del generatore di funzioni con l'uscita del tuo amplificatore per strumentazione e cercare un guadagno vicino a 1000 V. (Vout/Vin dovrebbe essere molto vicino a 1000).

Suggerimento per la risoluzione dei problemi: assicurarsi che tutti i resistori siano nell'intervallo kΩ.

[2]“Condizionamento del segnale dell'elettrocardiogramma ad alte prestazioni (ECG) | Istruzione | Dispositivi analogici.” [In linea]. Disponibile: https://www.analog.com/en/education/education-library/articles/high-perf-electrocardiogram-signal-condition.html. [Accesso: 10-dic-2017].]

Passaggio 3: crea un filtro notch

Il nostro filtro notch è stato progettato per filtrare una frequenza a 60 Hz. Vogliamo filtrare i 60 Hz dal nostro segnale perché questa è la frequenza della corrente alternata che si trova nelle prese elettriche.

Durante il test del filtro notch, misurare il rapporto picco-picco tra i grafici di input e output. A 60 Hz, dovrebbe esserci un rapporto di -20 dB o migliore. Questo perché a -20 dB, la tensione di uscita è essenzialmente 0V, il che significa che hai filtrato con successo il segnale a 60 Hz! Prova anche le frequenze intorno ai 60 Hz per assicurarti che nessun'altra frequenza venga filtrata accidentalmente.

Suggerimento per la risoluzione dei problemi: se non riesci a ottenere esattamente -20 dB a 60 Hz, scegli un resistore e cambialo leggermente finché non ottieni i risultati desiderati. Abbiamo dovuto giocare con il valore di R2 fino a quando non abbiamo ottenuto i risultati che volevamo.

Passaggio 4: crea un filtro passa basso

Il nostro filtro passa basso è stato progettato con una frequenza di taglio di 150 Hz. Abbiamo scelto questo cutoff perché l'intervallo diagnostico più ampio per un ECG è 0,05 Hz - 150 Hz, assumendo un ambiente immobile e a basso rumore [3]. Il filtro passa basso è in grado di eliminare il rumore ad alta frequenza proveniente dai muscoli o da altre parti del corpo[4].

Per testare questo circuito per assicurarsi che funzioni correttamente, misurare Vout (mostrato come nodo 1 nello schema del circuito). A 150 Hz, l'ampiezza del segnale di uscita dovrebbe essere 0,7 volte l'ampiezza del segnale di ingresso. Abbiamo usato un segnale di ingresso di 1V per poter vedere facilmente che la nostra uscita dovrebbe essere 0,7 a 150 Hz.

Suggerimenti per la risoluzione dei problemi: finché la frequenza di taglio è compresa tra pochi Hz e 150 Hz, il circuito dovrebbe funzionare ancora. Il nostro taglio ha finito per essere 153 Hz. La gamma per i segnali biologici oscillerà un po' nel corpo, quindi finché non sei fuori per più di pochi Hz, il tuo circuito dovrebbe ancora funzionare.

[3] “Filtri ECG | MEDTEQ.” [In linea]. Disponibile: https://www.medteq.info/med/ECGFilters. [Accesso: 10-dic-2017].

[4] K. L. Venkatachalam, J. E. Herbrandson e S. J. Asirvatham, "Signals and Signal Processing for the Electrophysiologist: Part I: Electrogram Acquisition", Circ. Aritmia Electrophysiol., vol. 4, nr. 6, pp. 965–973, dic. 2011.

Passaggio 5: creare il programma LabView

[5] “Progetto BME 305 Design Lab” (autunno 2017).

Questo diagramma a blocchi labview è progettato per analizzare il segnale che attraversa il programma, rilevare i picchi ECG, raccogliere la differenza di tempo tra i picchi e calcolare matematicamente il BPM. Emette anche un grafico della forma d'onda ECG.

Passaggio 6: collegare tutte e tre le fasi

Collegare tutti e tre i circuiti in serie collegando l'uscita dell'amplificatore per strumentazione all'ingresso del filtro notch e l'uscita del filtro notch all'ingresso del filtro passa basso. Collegare l'uscita del filtro passa basso all'assistente DAQ e collegare l'assistente DAQ al computer. Quando si collegano i circuiti, assicurarsi che le strisce di alimentazione per ciascuna breadboard siano collegate e che le strisce di terra siano tutte collegate allo stesso terminale di terra.

Nell'amplificatore per strumentazione, il secondo amplificatore operazionale deve essere senza messa a terra in modo che due cavi dell'elettrodo collegati al soggetto del test possano connettersi ciascuno a un diverso amplificatore operazionale nel primo stadio di quel filtro.

Passaggio 7: ottenere segnali da un soggetto di prova umano

Un adesivo per elettrodi deve essere posizionato su ciascun polso e uno deve essere posizionato sulla caviglia per il terreno. Utilizzare clip a coccodrillo per collegare i due elettrodi da polso agli ingressi dell'amplificatore per strumentazione e la caviglia a terra. Quando sei pronto, fai clic su "Esegui" sul programma LabView e visualizza la frequenza cardiaca e l'ECG sullo schermo!