Circuito ECG semplice e programma di frequenza cardiaca LabVIEW: 6 passaggi

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

Un elettrocardiogramma, o anche chiamato ECG, è un sistema diagnostico e di monitoraggio estremamente potente utilizzato in tutte le pratiche mediche. Gli ECG vengono utilizzati per osservare graficamente l'attività elettrica del cuore per verificare la presenza di anomalie nella frequenza cardiaca o nella segnalazione elettrica.

Da una lettura ECG, la frequenza cardiaca dei pazienti può essere determinata dall'intervallo di tempo tra i complessi QRS. Inoltre, possono essere rilevate altre condizioni mediche come un attacco di cuore in attesa da un'elevazione del segmento ST. Letture come questa possono essere cruciali per diagnosticare e trattare adeguatamente un paziente. L'onda P mostra la contrazione dell'atrio del cuore, la curva QRS è la contrazione ventricolare e l'onda T è la ripolarizzazione del cuore. Conoscere anche semplici informazioni come questa può diagnosticare rapidamente ai pazienti una funzione cardiaca anormale.

Un ECG standard utilizzato nella pratica medica ha sette elettrodi posizionati in un lieve schema semicircolare attorno alla regione inferiore del cuore. Questo posizionamento degli elettrodi consente un rumore minimo durante la registrazione e consente anche misurazioni più coerenti. Per il nostro scopo del circuito ECG creato, utilizzeremo solo tre elettrodi. L'elettrodo di ingresso positivo verrà posizionato sul polso interno destro, l'elettrodo di ingresso negativo verrà posizionato sul polso interno sinistro e l'elettrodo di massa sarà collegato alla caviglia. Ciò consentirà di effettuare letture attraverso il cuore con relativa accuratezza. Con questo posizionamento di elettrodi collegati a un amplificatore per strumentazione, un filtro passa basso e un filtro notch, le forme d'onda ECG dovrebbero essere facilmente distinguibili come segnale di uscita dal circuito creato.

NOTA: 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

Passaggio 1: costruire l'amplificatore per strumentazione

Per costruire una strumentazione multistadio con un guadagno di 1000, o 60 dB, dovrebbe essere applicata la seguente equazione.

Guadagno=(1+2*R1/Rguadagno)

R1 è uguale a tutti i resistori utilizzati nell'amplificatore della strumentazione a parte il resistore di guadagno che in un certo senso farà sì che tutto il guadagno sia coinvolto nel primo stadio dell'amplificatore. Questo è stato scelto per essere 50,3 kΩ. Per calcolare il resistore di guadagno, questo valore è inserito nell'equazione sopra.

1000=(1+2*50300/Guadagno)

Guadagno=100,7

Dopo che questo valore è stato calcolato, l'amplificatore della strumentazione può essere costruito come il seguente circuito mostrato in questa fase. Gli OP/AMP devono essere alimentati con 15 volt positivi e negativi come mostrato nello schema elettrico. I condensatori di bypass per ogni OP/AMP devono essere posizionati vicino all'OP/AMP in serie con l'alimentatore per smorzare qualsiasi segnale CA proveniente dalla fonte di alimentazione a terra per evitare che gli OP/AMP si friggino e qualsiasi rumore aggiuntivo che potrebbe contribuire al segnale. Inoltre, per testare il guadagno effettivo dei circuiti, il nodo dell'elettrodo positivo dovrebbe ricevere un'onda sinusoidale in ingresso e il nodo dell'elettrodo negativo dovrebbe essere collegato a terra. Ciò consentirà di visualizzare con precisione il guadagno del circuito con un segnale di ingresso inferiore a 15 mV picco-picco.

Passaggio 2: costruire il filtro passa basso del secondo ordine

Un filtro passa basso di 2° ordine è stato utilizzato per rimuovere il rumore al di sopra della frequenza di interesse per il segnale ECG che era di 150 Hz.

Il valore K utilizzato nei calcoli per il filtro passa basso del 2° ordine è il guadagno. Poiché non vogliamo alcun guadagno nel nostro filtro, abbiamo scelto un valore di guadagno di 1, il che significa che la tensione di ingresso sarà uguale alla tensione di uscita.

K=1

Per un filtro Butterworth del secondo ordine che verrà utilizzato per questo circuito, i coefficienti aeb sono definiti di seguito. a=1,414214 b=1

Innanzitutto, il valore del secondo condensatore viene scelto per essere un condensatore relativamente grande che è prontamente disponibile in laboratorio e nel mondo reale.

C2=0.1 F

Per calcolare il primo condensatore, vengono utilizzate le seguenti relazioni tra esso e il secondo condensatore. I coefficienti K, a e b sono stati inseriti nell'equazione per calcolare quale dovrebbe essere questo valore.

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

C1<=(0.1*10^-6[1.414214^2+4*1(1-1)]/4*1

C1<=50 nF

Poiché si calcola che il primo condensatore sia inferiore o uguale a 50 nF, è stato scelto il seguente valore del condensatore.

C1=33 nF

Per calcolare il primo resistore necessario per questo filtro passa basso del secondo ordine con una frequenza di taglio di 150 Hz, è stata risolta la seguente equazione utilizzando sia i valori calcolati del condensatore sia i coefficienti K, a e b. R1=2/[(frequenza di taglio)*[aC2*sqrt([(a^2+4b(K-1))C2^2-4bC1C2])]

R1=9478 Ohm

Per calcolare il secondo resistore, è stata utilizzata la seguente equazione. La frequenza di taglio è di nuovo 150 Hz e il coefficiente b è 1.

R2=1/[bC1C2R1(frequenza di taglio)^2]

R2=35,99 kOhm Dopo aver calcolato i valori sopra riportati per i resistori e i condensatori necessari per un filtro notch di secondo ordine, è stato creato il seguente circuito per mostrare il filtro passa basso attivo che verrà utilizzato. L'OP/AMP è alimentato con 15 volt positivi e negativi come mostrato nel diagramma. I condensatori di bypass sono collegati alle fonti di alimentazione in modo che qualsiasi segnale CA che esce dalla fonte venga deviato a terra per garantire che l'OP/AMP non venga fritto da questo segnale. Per testare questa fase del circuito ECG, il nodo del segnale di ingresso deve essere collegato a un'onda sinusoidale e deve essere eseguita una scansione CA da 1 Hz a 200 Hz per vedere come funziona il filtro.

Passaggio 3: costruire il filtro notch

Il filtro notch è una parte estremamente importante di molti circuiti per misurare i segnali a bassa frequenza. Alle basse frequenze, il rumore CA a 60 Hz è estremamente comune in quanto è la frequenza della corrente CA che attraversa gli edifici negli Stati Uniti. Quel rumore a 60 Hz è scomodo in quanto si trova nel mezzo della banda passante per l'ECG, ma un filtro notch può rimuovere frequenze specifiche preservando il resto del segnale. Quando si progetta questo filtro notch, è molto importante avere un fattore di alta qualità, Q, per garantire che il roll-off del cut-off sia netto attorno al punto di interesse. Di seguito vengono descritti in dettaglio i calcoli utilizzati per costruire un filtro notch attivo che verrà utilizzato nel circuito ECG.

Innanzitutto la frequenza di interesse, 60 Hz, deve essere convertita da Hz a rad/s.

frequenza=2*pi*frequenza

frequenza=376,99 rad/secondo

Successivamente, dovrebbe essere calcolata la larghezza di banda delle frequenze tagliate. Questi valori sono determinati in modo tale da garantire che la frequenza principale di interesse, 60 Hz, sia completamente tagliata e solo poche frequenze circostanti siano leggermente influenzate.

Larghezza di banda = Cutoff2-Cutoff1

Larghezza di banda=37,699 Successivamente è necessario determinare il fattore di qualità. Il fattore di qualità determina quanto è affilata la tacca e quanto stretto inizia il cut-off. Questo viene calcolato utilizzando la larghezza di banda e la frequenza di interesse. Q=frequenza/larghezza di banda

Q = 10

Per questo filtro viene scelto un valore di condensatore prontamente disponibile. Il condensatore non deve essere grande e sicuramente non dovrebbe essere troppo piccolo.

C=100 nF

Per calcolare il primo resistore utilizzato in questo filtro notch attivo, è stata utilizzata la seguente relazione che coinvolge il fattore di qualità, la frequenza di interesse e il condensatore scelto.

R1=1/[2QC*frequenza]

R1=1326.29 Ohm

Il secondo resistore utilizzato in questo filtro viene calcolato utilizzando la seguente relazione.

R2=2Q/[frequenza*C]

R2=530516 Ohm

Il resistore finale per questo filtro viene calcolato utilizzando i due valori del resistore precedenti. Dovrebbe essere molto simile al primo resistore calcolato.

R3=R1*R2/[R1+R2]

R3=1323 Ohm

Dopo che tutti i valori dei componenti sono stati calcolati utilizzando le equazioni sopra descritte, è necessario costruire il seguente filtro notch per filtrare accuratamente il rumore CA a 60 Hz che interromperà il segnale ECG. L'OP/AMP deve essere alimentato con 15 volt positivi e negativi come mostrato nel circuito sottostante. I condensatori di bypass sono collegati dalle fonti di alimentazione sull'OP/AMP in modo che qualsiasi segnale CA proveniente dalla fonte di alimentazione venga deviato a terra per garantire che l'OP/AMP non venga fritto. Per testare questa parte del circuito, il segnale di ingresso deve essere collegato a un'onda sinusoidale e deve essere eseguita una scansione CA da 40 Hz a 80 Hz per vedere il filtraggio del segnale a 60 Hz.

Passaggio 4: creare un programma LabVIEW per calcolare la frequenza cardiaca

LabVIEW è uno strumento utile per eseguire strumenti e raccogliere dati. Per raccogliere i dati ECG, viene utilizzata una scheda DAQ che legge le tensioni di ingresso a una frequenza di campionamento di 1 kHz. Queste tensioni di ingresso vengono quindi emesse su un grafico che viene utilizzato per visualizzare la registrazione ECG. I dati che vengono raccolti passano poi attraverso un max finder che emette i valori massimi letti. Questi valori consentono di calcolare una soglia di picco al 98% della potenza massima. Successivamente, viene utilizzato un rilevatore di picco per determinare quando i dati sono maggiori di tale soglia. Questi dati insieme al tempo tra i picchi possono essere utilizzati per determinare la frequenza cardiaca. Questo semplice calcolo determinerà accuratamente la frequenza cardiaca dalle tensioni di ingresso lette dalla scheda DAQ.

Passaggio 5: test

Dopo aver costruito i tuoi circuiti sei pronto per metterli in funzione! Innanzitutto, ogni fase dovrebbe essere testata con uno sweep AC di frequenze da 0,05 Hz a 200 Hz. La tensione di ingresso non deve essere superiore a 15 mV picco-picco in modo che il segnale non venga ostacolato dalle limitazioni OP/AMP. Quindi, collega tutti i circuiti ed esegui di nuovo una scansione CA completa per assicurarti che tutto funzioni correttamente. Dopo che sei soddisfatto dell'uscita del tuo circuito completo, è il momento di connetterti ad esso. Posiziona l'elettrodo positivo sul polso destro e l'elettrodo negativo sul polso sinistro. Metti l'elettrodo di terra sulla caviglia. Collega l'uscita del circuito completo alla tua scheda DAQ ed esegui il programma LabVIEW. Il segnale ECG dovrebbe ora essere visibile sul grafico della forma d'onda sul computer. Se non lo è o è distorto, prova a ridurre il guadagno del circuito a circa 10 cambiando di conseguenza il resistore di guadagno. Ciò dovrebbe consentire la lettura del segnale da parte del programma LabVIEW.