Semplice circuito di registrazione ECG e cardiofrequenzimetro LabVIEW: 5 passaggi

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

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

Uno degli aspetti fondamentali dell'assistenza sanitaria moderna è la capacità di catturare un'onda cardiaca utilizzando un ECG o un elettrocardiogramma. Questa tecnica utilizza elettrodi di superficie per misurare i vari schemi elettrici emessi dal cuore, in modo che l'uscita possa essere utilizzata come strumento diagnostico per diagnosticare condizioni cardiache e polmonari come varie forme di tachicardia, blocco di branca e ipertrofia. Per diagnosticare queste condizioni, la forma d'onda in uscita viene confrontata con un normale segnale ECG.

Per creare un sistema in grado di ottenere la forma d'onda dell'ECG, il segnale deve essere prima amplificato e poi opportunamente filtrato per rimuovere il rumore. Per fare ciò, è possibile costruire un circuito a tre stadi utilizzando amplificatori operazionali.

Questo Instructable fornirà le informazioni necessarie per progettare e quindi costruire un semplice circuito in grado di registrare un segnale ECG utilizzando elettrodi di superficie e quindi filtrare quel segnale per ulteriori elaborazioni e analisi. Inoltre, questo Instructable delineerà una tecnica utilizzata per analizzare quel segnale al fine di creare una rappresentazione grafica dell'uscita del circuito, nonché un metodo per calcolare la frequenza cardiaca dall'uscita del circuito della forma d'onda ECG.

Nota: quando si progetta ogni fase, assicurarsi di eseguire le scansioni AC sia sperimentalmente che tramite simulazioni per garantire il comportamento del circuito desiderato.

Passaggio 1: progettare e costruire l'amplificatore per strumentazione

Il primo stadio di questo circuito ECG è un amplificatore per strumentazione, che consiste di tre amplificatori operazionali. I primi due amplificatori OP sono ingressi bufferizzati, che vengono poi alimentati in un terzo amplificatore operazionale che funziona come amplificatore differenziale. I segnali dal corpo devono essere tamponati, altrimenti l'uscita diminuirà poiché il corpo non può fornire molta corrente. L'amplificatore differenziale prende la differenza tra le due sorgenti di ingresso per fornire una differenza di potenziale misurabile, annullando contemporaneamente il rumore comune. Questo stadio ha anche un guadagno di 1000, amplificando i tipici mV a una tensione più leggibile.

Il guadagno del circuito di 1000 per l'amplificatore della strumentazione è calcolato dalle equazioni mostrate. Il guadagno dello stadio 1 dell'amplificatore per strumentazione è calcolato da (2) e il guadagno dello stadio 2 dell'amplificatore per strumentazione è calcolato da (3). K1 e K2 sono stati calcolati in modo che non differissero tra loro di più di un valore di 15.

Per un guadagno di 1000, K1 potrebbe essere impostato su 40 e K2 potrebbe essere impostato su 25. I valori dei resistori possono essere tutti calcolati, ma questo particolare amplificatore per strumentazione ha utilizzato i valori dei resistori seguenti:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

Passaggio 2: progettare e costruire il filtro notch

La fase successiva è un filtro notch per rimuovere il segnale a 60 Hz che proviene dalla presa di corrente.

Nel filtro notch, il valore del resistore di R1 è calcolato da (4), il valore di R2 da (5) e il valore di R3 da (6). Il fattore di qualità del circuito, Q, è impostato su 8 perché fornisce un ragionevole margine di errore pur essendo realisticamente accurato. Il valore Q può essere calcolato da (7). L'ultima equazione di governo del filtro notch viene utilizzata per calcolare la larghezza di banda ed è descritta da (8). Oltre al fattore di qualità di 8, il filtro notch presentava altre specifiche di progettazione. Questo filtro è progettato per avere un guadagno di 1 in modo da non alterare il segnale, mentre rimuove il segnale a 60 Hz.

Secondo queste equazioni, R1 = 11,0524 kΩ, R2 = 2,829 MΩ, R3 = 11,09 kΩ e C1 = 15 nF

Passaggio 3: progettare e costruire il filtro passa-basso Butterworth del secondo ordine

Lo stadio finale è un filtro passa-basso per rimuovere tutti i segnali che possono verificarsi al di sopra della componente di frequenza più alta di un'onda ECG, come il rumore WiFi e altri segnali ambientali che potrebbero distrarre dal segnale di interesse. Il punto -3dB per questa fase dovrebbe essere intorno o vicino a 150 Hz, poiché la gamma standard di segnali presenti in un'onda ECG va da 0,05 Hz a 150 Hz.

Quando si progetta il filtro Butterworth del secondo ordine passa-basso, il circuito è nuovamente impostato per avere un guadagno di 1, il che ha consentito una progettazione del circuito più semplice. Prima di eseguire ulteriori calcoli, è importante notare che la frequenza di taglio desiderata del filtro passa basso è impostata su 150 Hz. È più facile iniziare calcolando il valore del condensatore 2, C2, poiché altre equazioni dipendono da questo valore. C2 può essere calcolato da (9). Procedendo dal calcolo di C2, C1 può essere calcolato con (10). Nel caso di questo filtro passa basso, i coefficienti a e b sono definiti dove a = 1,414214 e b = 1. Il valore del resistore di R1 è calcolato da (11) e il valore del resistore di R2 è calcolato da (12).

Sono stati utilizzati i seguenti valori:

R1 = 13,842 kΩ

R2 = 54,36 kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

Passaggio 4: configurazione del programma LabVIEW utilizzato per l'acquisizione e l'analisi dei dati

Successivamente, il programma per computer LabView può essere utilizzato per creare un'attività che creerà una rappresentazione grafica di un battito cardiaco da un segnale ECG e calcolerà la frequenza cardiaca dallo stesso segnale. Il programma LabView realizza ciò accettando prima un ingresso analogico da una scheda DAQ, che funge anche da convertitore da analogico a digitale. Questo segnale digitale viene quindi ulteriormente analizzato e tracciato, dove il grafico mostra la rappresentazione grafica del segnale in ingresso nella scheda DAQ. La forma d'onda del segnale viene analizzata prendendo l'80% dei valori massimi del segnale digitale accettato, quindi utilizza una funzione di rilevamento dei picchi per rilevare questi picchi del segnale. Contemporaneamente, il programma prende la forma d'onda e calcola la differenza di tempo tra i picchi della forma d'onda. Il rilevamento del picco è accoppiato con i valori di accompagnamento di 1 o 0, dove 1 rappresenta un picco per creare un indice della posizione dei picchi e questo indice viene quindi utilizzato in congiunzione con la differenza di tempo tra i picchi per calcolare matematicamente la frequenza cardiaca in battiti al minuto (BPM). Viene mostrato lo schema a blocchi utilizzato nel programma LabView.

Passaggio 5: assemblaggio completo

Dopo aver costruito tutti i tuoi circuiti e il programma LabVIEW e assicurato che tutto funzioni correttamente, sei pronto per registrare un segnale ECG. Nella foto c'è un possibile schema dell'intero sistema del circuito.

Collegare l'elettrodo positivo al polso destro e uno degli ingressi dell'amplificatore per strumentazione cerchiati e l'elettrodo negativo al polso sinistro e all'altro ingresso dell'amplificatore per strumentazione come illustrato. L'ordine di ingresso dell'elettrodo non ha importanza. Infine, posiziona un elettrodo di massa sulla caviglia e collegalo a terra nel circuito. Congratulazioni, hai completato tutti i passaggi necessari per la registrazione e il segnale ECG.