Circuito elettrocardiogramma (ECG): 7 passaggi

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

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.

Siamo due studenti in Ingegneria Biomedica e dopo aver seguito la nostra prima lezione di circuiti, eravamo piuttosto entusiasti e abbiamo deciso di utilizzare le basi che abbiamo imparato per fare qualcosa di utile: visualizzare un ECG e leggere la frequenza cardiaca. Questo sarebbe il circuito più complesso che abbiamo mai costruito!

Alcuni retroscena su un ECG:

Molti dispositivi elettrici vengono utilizzati per misurare e registrare l'attività biologica nel corpo umano. Uno di questi dispositivi è l'elettrocardiogramma, che misura i segnali elettrici prodotti dal cuore. Questi segnali forniscono informazioni oggettive sulla struttura e la funzione del cuore. L'ECG è stato sviluppato per la prima volta nel 1887 e ha fornito ai medici un nuovo modo per diagnosticare le complicanze cardiache. Gli ECG possono rilevare il ritmo cardiaco, la frequenza cardiaca, gli attacchi cardiaci, l'apporto inadeguato di sangue e ossigeno al cuore e anomalie strutturali. Utilizzando una semplice progettazione del circuito, è possibile realizzare un ECG in grado di monitorare tutte queste cose.

Passaggio 1: materiali

Costruire il circuito

I materiali di base necessari per costruire il circuito sono mostrati nelle immagini. Loro includono:

• tagliere

• Amplificatori operazionali

  • Tutti gli amplificatori operazionali utilizzati in questo circuito sono LM741.
  • Per maggiori info consultare la scheda tecnica:
• resistori
• Condensatori
• fili

• Elettrodi adesivi

  Questi sono necessari solo se decidi di provare il circuito su una persona reale

Il software utilizzato include:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab o PSpice per simulazioni per controllare i valori

• Eccellere

  Questo è altamente raccomandato nel caso in cui sia necessario modificare le caratteristiche del circuito. Potrebbe anche essere necessario giocare con i numeri finché non si trovano valori di resistori e condensatori prontamente disponibili. Calcoli carta e penna sconsigliati per questo! Abbiamo allegato i nostri calcoli del foglio di calcolo per dare un'idea

Testare il circuito

Avrai anche bisogno di alcune apparecchiature elettroniche più grandi:

• Alimentazione CC
• Scheda DAQ per interfacciare il circuito a LabVIEW
• Generatore di funzioni per testare il circuito
• Oscilloscopio per testare il circuito

Passaggio 2: amplificatore per strumentazione

Perché ne abbiamo bisogno:

Costruiremo un amplificatore per strumentazione in modo da amplificare la piccola ampiezza misurata dal corpo. L'utilizzo di due amplificatori nel nostro primo stadio ci consentirà di annullare il rumore creato dal corpo (che sarà lo stesso su entrambi gli elettrodi). Useremo due fasi di circa uguale guadagno: questo protegge l'utente se il sistema è connesso a una persona, impedendo che tutto il guadagno avvenga in un unico posto. Poiché l'ampiezza normale di un segnale ECG è compresa tra 0,1 e 5 mV, vogliamo che il guadagno dell'amplificatore della strumentazione sia di circa 100. Una tolleranza accettabile sul guadagno è del 10%.

Come costruirlo:

Usando queste specifiche e le equazioni viste nella tabella (immagini allegate), abbiamo trovato che i nostri valori di resistenza sono R1 = 1,8 kiloOhm, R2 = 8,2 kiloOhm, R3 = 1,5 kiloOhm e R4 = 15 kiloOhm. K1 è il guadagno del primo stadio (OA1 e OA2) e K2 è il guadagno del secondo stadio (OA3). Condensatori di bypass a capacità uguale vengono utilizzati sugli alimentatori degli amplificatori operazionali per rimuovere il rumore.

Come testarlo:

Qualsiasi segnale inviato all'amplificatore della strumentazione dovrebbe essere amplificato di 100. Usando dB=20log(Vout/Vin) questo significa un rapporto di 40 dB. Puoi simularlo in PSpice o CircuitLab, o testare il dispositivo fisico, o entrambi!

L'immagine dell'oscilloscopio allegata mostra un guadagno di 1000. Per un vero ECG, questo è troppo alto!

Passaggio 3: filtro notch

Perché ne abbiamo bisogno:

Utilizzeremo un filtro notch per rimuovere il rumore a 60 Hz presente in tutti gli alimentatori negli Stati Uniti.

Come costruirlo:

Imposteremo il fattore di qualità Q su 8, che fornirà un output di filtraggio accettabile mantenendo i valori dei componenti in un intervallo fattibile. Impostiamo anche il valore del condensatore su 0,1 μF in modo che i calcoli influiscano solo sui resistori. I valori dei resistori calcolati e utilizzati possono essere visualizzati nella tabella (nelle immagini) o sotto

• Q = c/B

  imposta Q su 8 (o scegli il tuo in base alle tue esigenze)

• w = 2*pi*f

  usa f = 60 Hz

• C

  impostato su 0.1 uF (o scegli il tuo valore dai condensatori disponibili)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Calcolare. Il nostro valore è 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Calcolare. Il nostro valore è 424,4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Calcolare. Il nostro valore è 1,65 kohm

Come testarlo:

Il filtro notch dovrebbe passare tutte le frequenze invariate tranne quelle intorno ai 60 Hz. Questo può essere verificato con uno sweep AC. Un filtro con un guadagno di -20 dB a 60 Hz è considerato buono. Puoi simularlo in PSpice o CircuitLab, o testare il dispositivo fisico, o entrambi!

Questo tipo di filtro notch può generare un buon notch nello sweep AC simulato, ma un test fisico ha mostrato che i nostri valori originali hanno generato un notch a una frequenza inferiore a quella prevista. Per risolvere questo problema, abbiamo aumentato R2 di circa 25 kohm.

L'immagine dell'oscilloscopio mostra che il filtro riduce notevolmente l'ampiezza del segnale di ingresso a 60 Hz. Il grafico mostra una scansione AC per un filtro notch di alta qualità.

Passaggio 4: filtro passa basso

Perché ne abbiamo bisogno:

L'ultimo stadio del dispositivo è un filtro passa basso attivo. Il segnale ECG è composto da molte forme d'onda diverse, ognuna con la propria frequenza. Vogliamo catturare tutto questo, senza alcun rumore ad alta frequenza. Viene selezionata la frequenza di taglio standard per i monitor ECG di 150 Hz. (A volte vengono scelti valori limite più alti per monitorare problemi cardiaci specifici, ma per il nostro progetto utilizzeremo un limite normale.)

Se desideri realizzare un circuito più semplice, potresti anche utilizzare un filtro passa basso passivo. Questo non includerà un amplificatore operazionale e consisterà solo di un resistore in serie con un condensatore. La tensione di uscita sarà misurata ai capi del condensatore.

Come costruirlo:

Lo progetteremo come un filtro Butterworth del secondo ordine, che ha coefficienti a e b uguali rispettivamente a 1,414214 e 1. Impostando il guadagno su 1, l'amplificatore operazionale diventa un inseguitore di tensione. Le equazioni ei valori scelti sono mostrati nella tabella (nelle immagini) e sotto.

• w=2*pi*f

  impostare f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Calcolare. Il nostro valore è 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Calcolare. Il nostro valore è 0,033 uF

• R1 = 2/(w*(aC2+sqrt(a^2*C2^2-4b*C1*C2)))

  Calcolare. Il nostro valore è 18,836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Calcolare. Il nostro valore è 26.634 kohm

Come testarlo:

Il filtro dovrebbe passare le frequenze al di sotto del cutoff invariate. Questo può essere testato utilizzando uno sweep AC. Puoi simularlo in PSpice o CircuitLab, o testare il dispositivo fisico, o entrambi!

L'immagine dell'oscilloscopio mostra la risposta del filtro a 100 Hz, 150 Hz e 155 Hz. Il nostro circuito fisico aveva un taglio più vicino a 155 Hz, mostrato dal rapporto di -3 dB.

Passaggio 5: filtro passa alto

Perché ne abbiamo bisogno:

Il filtro passa-alto viene utilizzato in modo che le frequenze al di sotto di un certo valore di cut-off non vengano registrate, consentendo il passaggio di un segnale pulito. La frequenza di taglio viene scelta come 0,5 Hz (un valore standard per i monitor ECG).

Come costruirlo:

Di seguito sono riportati i valori di resistore e condensatore necessari per ottenere ciò. La nostra resistenza effettiva utilizzata era di 318,2 kohm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • imposta f = 0,5 Hz e C = 1 uF
  • Calcola R. Il nostro valore è 318.310 kohm

Come testarlo:

Il filtro dovrebbe passare le frequenze al di sopra del cutoff invariate. Questo può essere testato utilizzando uno sweep AC. Puoi simularlo in PSpice o CircuitLab, o testare il dispositivo fisico, o entrambi!

Passaggio 6: configurazione di LabVIEW

Il diagramma di flusso illustra il concetto di progettazione della parte LabVIEW del progetto che registra il segnale a un'elevata frequenza di campionamento e visualizza la frequenza cardiaca (BPM) e l'ECG. Il nostro circuito LabView contiene i seguenti componenti: assistente DAQ, array di indici, operatori aritmetici, rilevamento dei picchi, indicatori numerici, grafico della forma d'onda, variazione di tempo, identificatore max/min e costanti numeriche. L'assistente DAQ è impostato per acquisire campioni continui a una frequenza di 1 kHz, con il numero di campioni modificato tra 3.000 e 5.000 campioni per il rilevamento dei picchi e per la chiarezza del segnale.

Passa il mouse sui diversi componenti nello schema elettrico per leggere dove trovarli in LabVIEW!

Passaggio 7: raccolta dei dati

Ora che il circuito è stato assemblato, i dati possono essere raccolti per vedere se funziona! Invia un ECG simulato attraverso il circuito a 1 Hz. Il risultato dovrebbe essere un segnale ECG pulito in cui il complesso QRS, l'onda P e l'onda T possono essere visti chiaramente. Anche la frequenza cardiaca dovrebbe visualizzare 60 battiti al minuto (bpm). Per testare ulteriormente il circuito e la configurazione di LabVIEW, cambia la frequenza a 1,5 Hz e 0,5 Hz. La frequenza cardiaca dovrebbe cambiare in 90 bpm e 30 bpm rispettivamente.

Affinché le frequenze cardiache più lente vengano visualizzate con precisione, potrebbe essere necessario regolare le impostazioni DAQ per mostrare più onde per grafico. Questo può essere fatto aumentando il numero di campioni.

Se scegli di testare il dispositivo su un essere umano, assicurati che l'alimentatore che stai utilizzando per gli amplificatori operazionali limiti la corrente a 0,015 mA! Esistono diverse configurazioni di elettrocateteri accettabili, ma abbiamo scelto di posizionare l'elettrodo positivo sulla caviglia sinistra, l'elettrodo negativo sul polso destro e l'elettrodo di massa sulla caviglia destra, come mostrato nell'immagine allegata.

Utilizzando alcuni concetti di base sui circuiti e la nostra conoscenza del cuore umano, ti abbiamo mostrato come creare un dispositivo divertente e utile. Speriamo che ti sia piaciuto il nostro tutorial!