ECG e cardiofrequenzimetro: 6 passaggi

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

L'elettrocardiogramma, chiamato anche ECG, è un test che rileva e registra l'attività elettrica del cuore umano. Rileva la frequenza cardiaca e la forza e la tempistica degli impulsi elettrici che passano attraverso ogni parte di un cuore, che è in grado di identificare problemi cardiaci come attacchi di cuore e aritmia. Gli ECG negli ospedali coinvolgono dodici elettrodi sulla pelle del torace, delle braccia e delle gambe. In questo intrattabile, stiamo usando solo tre elettrodi, uno per ogni polso come due siti di registrazione e uno per la caviglia destra come terra. È importante notare che 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.

Per acquisire e analizzare un segnale ECG umano, abbiamo bisogno di un amplificatore per strumentazione che amplifichi il segnale in ingresso di 1000, un filtro notch che rimuova il rumore della corrente alternata (60 Hz) e un filtro passa-basso che filtri altri rumori sopra i 250 Hz. Viene utilizzato un cut-off di 250Hz perché la gamma di frequenza di un ECG umano è compresa tra 0-250Hz

Passaggio 1: materiali

Generatore di funzioni, Alimentatore, Oscilloscopio, Breadboard.

Resistori: 1k - 500k ohm

Condensatori: 20 - 100 nF

Amplificatore operazionale x5 (UA741)

Passaggio 2: costruisci l'amplificatore per strumentazione

Facendo riferimento al circuito e alle equazioni dell'amplificatore della strumentazione. Per prima cosa dobbiamo calcolare i valori corretti del resistore. Poiché l'amplificatore per strumentazione ha 2 stadi, ci sono due guadagni separati, k1 e k2. Poiché abbiamo bisogno di un guadagno di 1000, k1 moltiplicato per k2 dovrebbe essere pari a mille. In questo tutorial abbiamo usato i seguenti valori, sentiti libero di cambiare questi valori se non hai una vasta gamma di resistori.

R1=1000Ω, R2=15000Ω quindi K1=1+(2*15000)/1000=31R3=1000Ω, R4=32000Ωquindi K2=32000/1000=32

Ora che sai di quali valori di resistenza hai bisogno, vai avanti e crea il circuito.

Per testare l'amplificatore della strumentazione, potresti usare un generatore di funzioni per generare un'onda sinusoidale di ampiezza nota, collegarlo all'ingresso del circuito e collegare l'uscita dell'amplificatore a un oscilloscopio, dovresti vedere un'onda sinusoidale con un'ampiezza un 1000 volte più grande dell'onda sinusoidale in ingresso

Passaggio 3: crea un filtro notch

Simile all'amplificatore per strumentazione, fare riferimento al circuito e alle equazioni per trovare i valori dei componenti appropriati. Sappiamo che in questo filtro notch, abbiamo bisogno di tagliare le frequenze di 60Hz quindi f0 è 60Hz, useremo anche un fattore di qualità di 8 che ci darebbe una buona precisione. Utilizzando questi valori ora possiamo trovare i valori dei componenti appropriati:

C=100 nF, Q = 8, w0=2ℼf =2*pi*60 =120pi

R1=1/(2*8*120*pi greco*100*10^-9)=1658Ω

R2=(2*8)/(120*pi greco*100*10^-9)=424kΩ

R3=(1658*424000)/(1658+424000)=1651Ω

Ora che conosci i valori dei componenti di cui hai bisogno, vai avanti e costruisci il circuito. Non che si possano usare resistori in parallelo o in serie per ottenere valori il più vicino possibile ai valori necessari.

Per testare il filtro notch, potresti eseguire uno sweep di frequenza. Immettere un'onda sinusoidale con ampiezza di 0,5 V e variare la frequenza. Guarda come cambia l'ampiezza dell'uscita collegata a un oscilloscopio quando ti avvicini a 60Hz. Ad esempio, quando la frequenza è inferiore a 50 o superiore a 70, dovresti vedere un segnale di uscita simile all'ingresso ma più ti avvicini a 60Hz l'ampiezza dovrebbe diminuire. Se ciò non accade, controlla il tuo circuito e assicurati di aver utilizzato i valori di resistenza corretti.

Passaggio 4: crea un filtro Butterworth del secondo ordine

Il tipo di filtro passa-basso che abbiamo utilizzato è attivo di secondo ordine. Questo filtro viene utilizzato perché ci dà una precisione abbastanza buona e sebbene richieda potenza, ma le prestazioni sono migliori. Il filtro è progettato per tagliare le frequenze superiori a 250 Hz. Questo perché un segnale ECG ha una componente di frequenza diversa compresa tra zero e 250 Hz e qualsiasi segnale con una frequenza superiore a 250 Hz sarebbe considerato rumore. La prima immagine mostra lo schema del filtro passabasso con tutti i valori corretti del resistore. (Nota che R7 dovrebbe essere 25632Ω invece di 4kΩ). La seconda immagine include tutte le equazioni che potresti usare per calcolare tu stesso i valori dei componenti.

Per testare il filtro passa-basso, utilizzare il generatore di funzioni per generare un'onda sinusoidale con un'ampiezza di 0,5 V. Quando si immettono frequenze inferiori a 250 Hz, si dovrebbe vedere un'uscita simile all'ingresso, ma più grande si ottiene dopo 250 Hz, l'uscita dovrebbe ridursi e alla fine diventare molto vicina allo zero.

Passaggio 5: metti tutto insieme

Dopo aver finito di costruire i tre stadi, mettili tutti insieme mettendo l'amplificatore della strumentazione, seguito dal filtro notch e poi dal filtro passa-basso. Il tuo circuito dovrebbe essere simile a questa immagine.

Passaggio 6: test dell'intero circuito

Utilizzando un generatore di funzioni, immettere un segnale ECG arbitrario con un'ampiezza non superiore a 15 mV all'ingresso dell'amplificatore per strumentazione. Collegare l'uscita del filtro passa basso a un oscilloscopio. Dovresti ottenere un output simile a questa immagine. Il segnale verde è l'uscita della scheda e il segnale giallo è il segnale di ingresso al circuito. Puoi anche misurare la frequenza cardiaca acquisendo la frequenza usando l'oscilloscopio e moltiplicando quel numero per 60.

Nota che se desideri misurare il tuo segnale ECG, puoi farlo collegando i due ingressi dell'amplificatore della strumentazione a ciascuno dei tuoi polsi utilizzando un elettrodo e mettendo a terra la gamba. Basta tenersi a metà prima di fare ciò, assicurarsi che il circuito e le connessioni da circuito a strumento utilizzino tecniche di isolamento adeguate.