Semplice ECG e rilevatore di frequenza cardiaca: 10 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

Oggi esamineremo la progettazione di base del circuito dell'elettrocardiografia (ECG) e creeremo un circuito per amplificare e filtrare il segnale elettrico del cuore. Quindi, possiamo misurare la frequenza cardiaca utilizzando il software labVIEW. Durante tutto il processo, fornirò istruzioni dettagliate sugli elementi della progettazione del circuito e sul motivo per cui si sono verificati, oltre a un po' di background biologico. L'immagine del titolo è del segnale elettrico del mio cuore. Alla fine di questo tutorial, sarai in grado di misurare anche il tuo. Iniziamo!

L'ECG è uno strumento diagnostico utile per i professionisti medici. Può essere utilizzato per diagnosticare una moltitudine di condizioni cardiache, dall'attacco cardiaco di base (infarto del miocardio), fino a disturbi cardiaci più avanzati, come la fibrillazione atriale, che le persone possono trascorrere gran parte della loro vita senza accorgersene. Ad ogni battito cardiaco, il tuo sistema nervoso autonomo sta lavorando duramente per far battere il tuo cuore. Invia segnali elettrici al cuore, che viaggiano dal nodo SA al nodo AV, quindi ai ventricoli sinistro e destro in modo sincrono, e infine dall'endocardio all'epicardio e alle fibre di purkinje, l'ultima linea di difesa del cuore. Questo complesso circuito biologico può avere problemi ovunque lungo il suo percorso e l'ECG può essere utilizzato per diagnosticare questi problemi. Potrei parlare di biologia tutto il giorno, ma c'è già un libro sull'argomento, quindi dai un'occhiata a "Diagnosi ECG nella pratica clinica", di Nicholas Peters, Michael Gatzoulis e Romeo Vecht. Questo libro è estremamente facile da leggere e dimostra la straordinaria utilità di un ECG.

Per creare l'ECG, sono necessari i seguenti componenti o sostituzioni accettabili.

• Per la progettazione di circuiti:

  • tagliere
  • Amplificatori operazionali x 5
  • resistori
  • Condensatori
  • fili
  • Clip a coccodrillo o altri metodi di stimolazione e misurazione
  • Cavi BNC
  • Generatore di funzioni
  • Oscilloscopio
  • Alimentatore CC o batterie se sei pratico

• Per il rilevamento della frequenza cardiaca:

  • LabView
  • Scheda DAQ

• Per la misurazione del segnale biologico*

  • elettrodi
  • Morsetti a coccodrillo o cavi per elettrodi

*Ho messo una nota di avvertimento sopra e parlerò un po' di più dei pericoli dei componenti elettrici per il corpo umano. Non collegare questo ECG a te stesso a meno che tu non ti sia assicurato di utilizzare tecniche di isolamento adeguate. Il collegamento di dispositivi alimentati dalla rete elettrica come alimentatori, oscilloscopi e computer direttamente al circuito può causare il flusso di grandi correnti attraverso il circuito in caso di sbalzo di tensione. Si prega di isolare il circuito dalla rete elettrica utilizzando l'alimentazione a batteria e altre tecniche di isolamento.

Avanti' parlerò della parte divertente; Elementi di progettazione del circuito!

Passaggio 1: specifiche di progettazione del circuito

Ora parlerò di progettazione del circuito. Non discuterò gli schemi dei circuiti, poiché verranno forniti dopo questa sezione. Questa sezione è per le persone che vogliono capire perché abbiamo scelto i componenti che abbiamo realizzato.

L'immagine sopra, tratta dal mio manuale di laboratorio alla Purdue University, ci fornisce quasi tutto ciò che dobbiamo sapere per progettare un circuito ECG di base. Questa è la composizione in frequenza di un segnale ECG non filtrato, con una generica "ampiezza" (asse y) riferita ad un numero adimensionale a fini comparativi. Ora parliamo di design!

A. Amplificatore per strumentazione

L'amplificatore della strumentazione sarà il primo stadio del circuito. Questo strumento versatile bufferizza il segnale, riduce il rumore di modo comune e amplifica il segnale.

Stiamo ricevendo un segnale dal corpo umano. Alcuni circuiti consentono di utilizzare la sorgente di misurazione come alimentatore, poiché è disponibile una carica adeguata senza rischio di danni. Tuttavia, non vogliamo ferire i nostri soggetti umani, quindi dobbiamo tamponare il segnale che ci interessa misurare. Un amplificatore da strumentazione consente di bufferizzare i segnali biologici, poiché gli Op Amp-Input hanno un'impedenza teoricamente infinita (non è così, in pratica, ma l'impedenza è solitamente sufficientemente alta) il che significa che nessuna corrente (teoricamente) può fluire nell'ingresso terminali.

Il corpo umano ha rumore. I segnali dei muscoli possono far sì che questo rumore si manifesti nei segnali ECG. Per ridurre questo rumore, possiamo usare un amplificatore differenziale per ridurre il rumore di modo comune. In sostanza, vogliamo sottrarre il rumore presente nei muscoli dell'avambraccio in corrispondenza di due posizioni degli elettrodi. Un amplificatore per strumentazione include un amplificatore differenziale.

I segnali nel corpo umano sono piccoli. Dobbiamo amplificare questi segnali in modo che possano essere misurati con una risoluzione appropriata utilizzando dispositivi di misurazione elettrici. Un amplificatore per strumentazione fornisce il guadagno necessario per fare ciò. Vedere il link allegato per ulteriori informazioni sugli amplificatori per strumentazione.

www.electronics-tutorial.net/amplifier/instrumentation-amplifier/index.html

B. Filtro notch

Le linee elettriche negli Stati Uniti producono un "ronzio di rete" o "rumore della linea elettrica" esattamente a 60 Hz. In altri paesi questo avviene a 50 Hz. Possiamo vedere questo rumore guardando l'immagine sopra. Poiché il nostro segnale ECG è ancora in qualche modo all'interno della banda di interesse, vogliamo rimuovere questo rumore. Per rimuovere questo rumore, è possibile utilizzare un filtro notch, che riduce il guadagno alle frequenze all'interno della tacca. Alcune persone potrebbero non essere interessate alle frequenze più alte sullo spettro ECG e potrebbero scegliere di creare un filtro passa basso con un taglio inferiore a 60 Hz. Tuttavia, volevamo sbagliare per sicurezza e ricevere quanto più segnale possibile, quindi è stato scelto un filtro notch e un filtro passa basso con una frequenza di taglio più alta.

Vedere il collegamento allegato per ulteriori informazioni sui filtri notch.

www.electronics-tutorials.ws/filter/band-st…

C. Filtro passa-basso Butterworth VCVS di secondo ordine

La composizione in frequenza di un segnale ECG si estende solo fino a questo punto. Vogliamo eliminare i segnali a frequenze più alte, poiché per i nostri scopi sono semplicemente rumore. I segnali del tuo cellulare, dispositivo blue tooth o laptop sono ovunque e questi segnali causerebbero un rumore inaccettabile nel segnale ECG. Possono essere eliminati con un filtro passa-basso Butterworth. La nostra frequenza di taglio scelta era di 220 Hz, che con il senno di poi era un po' alta. Se dovessi creare di nuovo questo circuito, sceglierei una frequenza di taglio molto più bassa di quella, e magari sperimenterei anche una frequenza di taglio inferiore a 60 Hz e userei invece un filtro di ordine superiore!

Questo filtro è di secondo ordine. Ciò significa che il guadagno "si riduce" a una velocità di 40 db/decade invece di 20 db/decade come farebbe un filtro del primo ordine. Questo roll-off più ripido fornisce una maggiore attenuazione del segnale ad alta frequenza.

È stato scelto un filtro Butterworth poiché è "massimamente piatto" nella banda passante, il che significa che non c'è distorsione all'interno della banda passante. Se sei interessato, questo link contiene fantastiche informazioni per il design di base del filtro di secondo ordine:

www.electronics-tutorials.ws/filter/second-…

Ora che abbiamo parlato della progettazione del circuito, possiamo iniziare la costruzione.

Passaggio 2: costruire l'amplificatore per strumentazione

Questo circuito bufferizza l'ingresso, sottrae il rumore di modo comune e amplifica il segnale con un guadagno di 100. Lo schema del circuito e le relative equazioni di progettazione sono mostrati sopra. Questo è stato creato utilizzando OrCAD Pspice designer e simulato utilizzando Pspice. Lo schema risulta un po' sfocato quando viene copiato da OrCAD, quindi mi scuso per questo. Ho modificato l'immagine per rendere, si spera, alcuni dei valori dei resistori un po' più chiari.

Ricordare che quando si creano circuiti, è necessario scegliere valori ragionevoli di resistenza e capacità in modo tale da tenere conto dell'impedenza pratica della sorgente di tensione, dell'impedenza pratica del dispositivo di misurazione della tensione e della dimensione fisica dei resistori e dei condensatori.

Le equazioni di progetto sono elencate sopra. Inizialmente, volevamo che il guadagno dell'amplificatore della strumentazione fosse x1000 e abbiamo creato questo circuito in modo da poter amplificare i segnali simulati. Tuttavia, quando lo abbiamo collegato al nostro corpo, volevamo ridurre il guadagno a 100 per motivi di sicurezza, poiché le breadboard non sono esattamente le interfacce di circuiti più stabili. Questo è stato fatto dal resistore hot-swap 4 per essere ridotto di un fattore dieci. Idealmente, il tuo guadagno su ogni stadio dell'amplificatore per strumentazione sarebbe lo stesso, ma invece il nostro guadagno è diventato 31,6 per lo stadio 1 e 3,16 per lo stadio 2, dando un guadagno di 100. Ho allegato lo schema del circuito per un guadagno di 100 invece di 1000. Vedrai ancora segnali simulati e biologici perfettamente a posto con questo livello di guadagno, ma potrebbe non essere l'ideale per componenti digitali con una bassa risoluzione.

Nota, nello schema del circuito, ho le parole "ingresso di massa" e "ingresso positivo" disegnate in testo arancione. Ho posizionato accidentalmente l'ingresso della funzione dove dovrebbe essere la massa. Si prega di mettere la terra dove è annotato "ingresso di massa" e la funzione in cui è annotato "ingresso positivo".

• Riepilogo

  • Guadagno stadio 1 - 31,6
  • Guadagno stadio 2 - 3.16 per motivi di sicurezza

Passaggio 3: costruire il filtro notch

Questo filtro notch elimina il rumore a 60 Hz dalle linee elettriche statunitensi. Poiché vogliamo che questo filtro si tacca esattamente a 60 Hz, l'utilizzo dei valori di resistenza corretti è fondamentale.

Le equazioni di progetto sono elencate sopra. È stato utilizzato un fattore di qualità di 8, che si traduce in un picco più ripido alla frequenza di attenuazione. È stata utilizzata una frequenza centrale (f0) di 60 Hz, con una larghezza di banda (beta) di 2 rad/s per fornire attenuazione a frequenze leggermente devianti dalla frequenza centrale. Ricordiamo che la lettera greca omega (w) è in unità di rad/s. Per convertire da Hz a rad/s, dobbiamo moltiplicare la nostra frequenza centrale, 60 Hz, per 2*pi. Anche la beta viene misurata in rad/s.

• Valori per le equazioni di progetto

  • w0 = 376,99 rad/s
  • Beta (B) = 2 rad/s
  • Q = 8
• Da qui, sono stati scelti valori ragionevoli di resistenza e capacità per costruire il circuito.

Passaggio 4: costruire il filtro passa-basso

Un filtro passa-basso viene utilizzato per eliminare le alte frequenze che non siamo interessati a misurare, come i segnali dei telefoni cellulari, la comunicazione bluetooth e il rumore WiFi. Un filtro Butterworth VCVS attivo di secondo ordine fornisce un segnale massimamente piatto (pulito) nella regione passa banda con un roll-off di -40 db/decade nella regione di attenuazione.

Le equazioni di progetto sono elencate sopra. Queste equazioni sono un po' lunghe, quindi ricordati di controllare i tuoi calcoli! Si noti che i valori b e a sono scelti con cura per fornire un segnale piatto nella regione dei bassi e un'attenuazione uniforme nella regione del roll-off. Per ulteriori informazioni su come vengono generati questi valori, fare riferimento al collegamento al passaggio 2, sezione C, "filtro passa basso".

La specifica per C1 è piuttosto ambigua, in quanto è semplicemente inferiore a un valore basato su C2. L'ho calcolato come minore o uguale a 22 nF, quindi ho scelto 10 nF. Il circuito ha funzionato bene e il punto -3 db era molto vicino a 220 Hz, quindi non mi preoccuperei troppo di questo. Ricordiamo ancora che la frequenza angolare (wc) in rad/s è uguale alla frequenza di taglio in Hz (fc) * 2pi.

• Vincoli di progettazione

  • K (guadagno) = 1
  • b = 1
  • a = 1.4142
  • Frequenza di taglio - 220 Hz

La frequenza di taglio di 220 Hz sembrava un po' alta. Se dovessi farlo di nuovo, probabilmente lo farei più vicino a 100 Hz, o addirittura scherzerei con un passa basso di ordine superiore con un taglio di 50 Hz. Ti incoraggio a provare diversi valori e schemi!

Passaggio 5: collegare l'amplificatore della strumentazione, il filtro notch e il filtro passa basso

Ora basta collegare l'uscita dell'amplificatore per strumentazione all'ingresso del filtro notch. Quindi collegare l'uscita del filtro notch all'ingresso del filtro passa basso.

Ho anche aggiunto condensatori di bypass dall'alimentatore CC a terra per eliminare un po' di rumore. Questi condensatori dovrebbero avere lo stesso valore per ciascun amplificatore operazionale e almeno 0,1 uF, ma a parte questo, sentiti libero di usare qualsiasi valore ragionevole.

Ho provato a usare un piccolo circuito di inviluppo per "smussare" il segnale rumoroso, ma non funzionava come previsto e avevo poco tempo, quindi ho scartato questa idea e ho usato invece l'elaborazione digitale. Questo sarebbe un bel passo in più se sei curioso!

Passaggio 6: accendere il circuito, immettere una forma d'onda e misurare

Istruzioni per l'alimentazione del circuito e l'esecuzione delle misure. Poiché l'attrezzatura di ognuno è diversa, non esiste un modo semplice per dirti come inserire e misurare. Ho fornito le istruzioni di base qui. Fare riferimento allo schema precedente per un esempio di configurazione.

1. Collegare il generatore di funzioni all'amplificatore della strumentazione.

   • Clip positiva all'amplificatore operazionale inferiore nel diagramma dell'amplificatore della strumentazione
   • Clip negativa a terra.
   • Cortocircuitare a massa l'ingresso dell'amplificatore operazionale superiore nel diagramma dell'amplificatore della strumentazione. Ciò fornirà un riferimento per il segnale in ingresso. (Nei segnali biologici, questo ingresso sarà un elettrodo con l'intenzione di ridurre il rumore di modo comune.)

2. Collegare la clip positiva dell'oscilloscopio all'uscita nella fase finale (uscita del filtro passa basso).

   • clip positiva per l'output nella fase finale
   • clip negativa a terra
3. Collega il tuo alimentatore CC ai binari, assicurandoti che ogni ingresso di alimentazione dell'amplificatore operazionale sia cortocircuitato sul binario a cui corrisponde.

4. Collega la messa a terra dell'alimentatore CC a un binario inferiore rimanente, fornendo un riferimento per il segnale.

   cortocircuitare la terra del binario inferiore con il terreno del binario superiore, che dovrebbe consentire di ripulire il circuito

Inizia a inserire un'onda e usa l'oscilloscopio per prendere le misure! Se il tuo circuito funziona come previsto, dovresti vedere un guadagno di 100. Ciò significherebbe che la tensione da picco a picco dovrebbe essere di 2 V per un segnale di 20 mV. Se sei un generatore di funzioni come una forma d'onda cardiaca di fantasia, prova a inserirla.

Gioca con frequenze e input per assicurarti che il tuo filtro funzioni correttamente. Prova a testare ogni fase individualmente, quindi prova il circuito nel suo insieme. Ho allegato un esperimento di esempio in cui ho analizzato la funzione del filtro notch. Ho notato un'attenuazione sufficiente da 59,5 Hz a 60,5 Hz, ma avrei preferito avere un po' più di attenuazione nei punti 59,5 e 60,5 Hz. Tuttavia, il tempo era essenziale, quindi sono andato avanti e ho pensato che avrei potuto rimuovere il rumore digitalmente in seguito. Ecco alcune domande che dovresti considerare per il tuo circuito:

• Il guadagno è 100?
• Controllare il guadagno a 220 Hz. È -3 db o vicino a quello?
• Controllare l'attenuazione a 60 Hz. è sufficientemente alto? Fornisce ancora una certa attenuazione a 60,5 e 59,5 Hz?
• Quanto velocemente si allontana il tuo filtro da 220 Hz? È -40 db/decennio?
• C'è corrente in uno degli ingressi? In tal caso, questo circuito non è adatto per la misurazione umana e probabilmente c'è qualcosa che non va nel design o nei componenti.

Se il tuo circuito funziona come previsto, allora sei pronto per andare avanti! In caso contrario, devi risolvere alcuni problemi. Controllare l'output di ogni fase individualmente. Assicurati che i tuoi amplificatori operazionali siano alimentati e funzionanti. Esaminare la tensione su ciascun nodo finché non si è individuato il problema con il circuito.

Passaggio 7: misurazione della frequenza cardiaca in LabVIEW

LabVIEW ci consentirà di misurare la frequenza cardiaca utilizzando un diagramma a blocchi logici. Dato più tempo, avrei preferito digitalizzare i dati da solo e creare un codice che determinasse la frequenza cardiaca, poiché non richiederebbe computer con labVIEW installato e una pesante scheda DAQ. Inoltre, i valori numerici in labVIEW non sono arrivati in modo intuitivo. Tuttavia, l'apprendimento di labVIEW è stata un'esperienza preziosa, poiché l'utilizzo della logica del diagramma a blocchi è molto più semplice che dover codificare la propria logica.

Non c'è molto da dire su questa sezione. Collega l'uscita del tuo circuito alla scheda DAQ e collega la scheda DAQ al computer. Crea il circuito mostrato nell'immagine seguente, premi "esegui" e inizia a raccogliere dati! Assicurati che il tuo circuito stia ricevendo una forma d'onda.

Alcune impostazioni importanti in questo sono:

• una frequenza di campionamento di 500 Hz e una dimensione della finestra di 2500 unità significa che stiamo catturando 5 secondi di dati all'interno della finestra. Questo dovrebbe essere sufficiente per vedere 4-5 battiti cardiaci a riposo e di più durante l'esercizio.
• Un picco rilevato di 0,9 era sufficiente per rilevare la frequenza cardiaca. Anche se sembra che si verifichi graficamente, in realtà ci è voluto un po' di tempo per arrivare a questo valore. Dovresti scherzare con questo fino a quando non calcoli accuratamente il battito cardiaco.
• Una larghezza di "5" sembrava essere sufficiente. Ancora una volta, questo valore è stato modificato e non sembrava avere un senso intuitivo.
• L'input numerico per calcolare la frequenza cardiaca utilizza un valore di 60. Ogni volta che viene indicato un battito cardiaco, passa attraverso il circuito di livello inferiore e restituisce un 1 ogni volta che il cuore batte. Se dividiamo questo numero per 60, diciamo essenzialmente "dividi 60 per il numero di battiti calcolati nella finestra". Ciò restituirà la frequenza cardiaca, in battiti/min.

L'immagine allegata è del mio battito cardiaco in labVIEW. Ha determinato che il mio cuore batteva a 82 BPM. Ero piuttosto entusiasta di avere finalmente questo circuito funzionante!

Passaggio 8: misurazione umana

Se hai dimostrato a te stesso che il tuo circuito è sicuro e funzionante, puoi misurare il tuo battito cardiaco. Utilizzando gli elettrodi di misurazione 3M, posizionarli nelle posizioni seguenti e collegarli al circuito. I cavi del polso vanno all'interno del polso, preferibilmente dove ci sono pochi o nessun pelo. L'elettrodo di massa va sulla parte ossea della caviglia. Usando i coccodrilli, collega il cavo positivo all'ingresso positivo, il cavo negativo all'ingresso negativo e l'elettrodo di terra al binario di terra (fai molta attenzione che non sia il binario di alimentazione negativo).

Un'ultima ripetizione 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. Ti assumi il rischio di eventuali danni subiti."

Assicurati che l'oscilloscopio sia collegato correttamente. Assicurarsi che nessuna corrente fluisca nell'amplificatore operazionale e che l'elettrodo di massa sia collegato a terra. Assicurati che le dimensioni della finestra dell'oscilloscopio siano corrette. Ho osservato un complesso QRS di circa 60 mV e ho usato una finestra di 5 secondi. Fissare i coccodrilli ai rispettivi elettrodi positivo, negativo e di terra. Dovresti iniziare a vedere una forma d'onda ECG dopo un paio di secondi. Rilassare; non eseguire alcun movimento poiché il filtro può ancora captare i segnali muscolari.

Con una corretta configurazione del circuito, dovresti vedere qualcosa di simile a quell'output nel passaggio precedente! Questo è il tuo segnale ECG personale. Successivamente parlerò dell'elaborazione.

NOTA: online verranno visualizzate diverse configurazioni dell'ECG a 3 elettrodi. Anche questi funzionerebbero, ma potrebbero dare forme d'onda invertite. Con il modo in cui l'amplificatore differenziale è impostato in questo circuito, questa configurazione di elettrodi fornisce una forma d'onda complessa tradizionale QRS positivo.

Passaggio 9: elaborazione del segnale

Quindi ti sei collegato all'oscilloscopio e puoi vedere il complesso QRS, ma il segnale sembra ancora rumoroso. Probabilmente qualcosa come la prima immagine in questa sezione. E 'normale. Stiamo usando un circuito su una breadboard aperta, con un mucchio di componenti elettrici che fondamentalmente fungono da piccole antenne. Gli alimentatori CC sono notoriamente rumorosi e non è presente alcuna schermatura RF. Ovviamente il segnale sarà rumoroso. Ho fatto un breve tentativo di utilizzare un circuito di tracciamento dell'inviluppo, ma ho esaurito il tempo. È facile farlo in digitale, però! Prendi semplicemente una media mobile. L'unica differenza tra il grafico grigio/blu e il grafico nero/verde è che il grafico nero/verde utilizza una media mobile di tensione in una finestra di 3 ms. Questa è una finestra così piccola rispetto al tempo tra i battiti, ma rende il segnale molto più fluido.

Passaggio 10: passaggi successivi?

Questo progetto è stato bello, ma qualcosa può sempre essere fatto meglio. Ecco alcuni dei miei pensieri. Sentiti libero di lasciare il tuo qui sotto!

• Usa una frequenza di taglio più bassa. Questo dovrebbe eliminare parte del rumore presente nel circuito. Forse anche giocare usando solo un filtro passa basso con un forte roll-off.
• Salda i componenti e crea qualcosa di permanente. Questo dovrebbe ridurre il rumore, è più fresco e più sicuro.
• Digitalizza il segnale ed emettilo da solo, eliminando la necessità di una scheda DAQ e permettendoti di scrivere codice che determinerà il battito cardiaco per te invece di dover utilizzare LabVIEW. Ciò consentirà all'utente quotidiano di rilevare il battito cardiaco senza richiedere un programma potente.

Progetti futuri?

• Crea un dispositivo che visualizzerà l'input direttamente su uno schermo (hmmmm raspberry pi e screen project?)
• Utilizzare componenti che ridurranno il circuito.
• Crea un ECG portatile all-in-one con display e rilevamento della frequenza cardiaca.

Questo conclude l'istruibile! Grazie per aver letto. Si prega di lasciare qualsiasi pensiero o suggerimento di seguito.