Progettare un monitor e un circuito digitale ECG: 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

L'obiettivo di questo progetto è costruire un circuito in grado di amplificare e filtrare un segnale ECG, noto anche come elettrocardiogramma. Un ECG può essere utilizzato per determinare la frequenza cardiaca e il ritmo cardiaco, poiché è in grado di rilevare i segnali elettrici che attraversano le varie parti del cuore durante le diverse fasi del ciclo cardiaco. Qui usiamo un amplificatore per strumentazione, un filtro notch e un filtro passa basso per amplificare e filtrare l'ECG. Quindi, utilizzando LabView, vengono calcolati i battiti al minuto e viene visualizzata una rappresentazione grafica dell'ECG. Il prodotto finito può essere visto sopra.

Passaggio 1: amplificatore per strumentazione

Il guadagno necessario per l'amplificatore della strumentazione è 1000 V/V. Ciò consentirebbe un'amplificazione sufficiente del segnale in ingresso che è molto più piccolo. L'amplificatore per strumentazione è suddiviso in due parti, Stadio 1 e Stadio 2. Il guadagno di ogni stadio (K) dovrebbe essere simile, in modo che quando moltiplicato insieme, il guadagno sia circa 1000. Le equazioni seguenti vengono utilizzate per calcolare il guadagno.

K1 = 1 + ((2*R2)/R1)

K2 = -R4/R3

Da queste equazioni sono stati trovati i valori di R1, R2, R3 e R4. Per costruire il circuito visto nelle immagini, sono stati utilizzati tre amplificatori operazionali uA741 e resistori. Gli amplificatori operazionali sono alimentati con 15V da un alimentatore CC. L'ingresso dell'amplificatore per strumentazione era collegato a un generatore di funzioni e l'uscita era collegata a un oscilloscopio. Quindi, è stata eseguita una scansione CA ed è stato trovato il guadagno dell'amplificatore della strumentazione, come si può vedere nel grafico "Guadagno dell'amplificatore della strumentazione" sopra. Infine, il circuito è stato ricreato in LabView, dove è stata eseguita una simulazione del guadagno, come si può vedere nel grafico nero sopra. I risultati hanno confermato che il circuito ha funzionato correttamente.

Passaggio 2: filtro notch

Il filtro notch viene utilizzato per rimuovere il rumore che si verifica a 60 Hz. I valori dei componenti possono essere calcolati utilizzando le equazioni seguenti. È stato utilizzato un fattore di qualità (Q) di 8. C è stato scelto dati i condensatori disponibili.

R1 = 1/(2*Q*ω*C)

R2 = 2*Q/(ω*C)

R3 = (R1*R2)/(R1+R2)

Sono stati trovati i valori del resistore e del condensatore ed è stato costruito il circuito sopra, i valori calcolati possono essere visti lì. L'amplificatore operazionale era alimentato da un alimentatore CC, con l'ingresso collegato a un generatore di funzioni e l'uscita a un oscilloscopio. L'esecuzione di un AC Sweep ha portato al grafico "Notch Filter AC Sweep" sopra, che mostra che una frequenza di 60 Hz era stata rimossa. A conferma di ciò, è stata eseguita una simulazione LabView che ha confermato i risultati.

Passaggio 3: filtro passa basso

Viene utilizzato un filtro passa basso Butterworth del secondo ordine, con una frequenza di taglio di 250Hz. Per risolvere i valori del resistore e del condensatore, sono state utilizzate le equazioni seguenti. Per queste equazioni, la frequenza di taglio in Hz è stata modificata in rad/sec, che è risultata essere 1570,8. È stato utilizzato un guadagno di K = 1. I valori per a e b sono stati forniti rispettivamente come 1,414214 e 1.

R1 = 2 / (wc (a C2 + sqrt(a^2 + 4 b (K - 1)) C2^2 - 4 b C1 C2))

R2 = 1/ (b C1 C2 R1 wc^2)

R3 = K (R1 + R2) / (K - 1)

R4 = K (R1 + R2)

C1 = (C2 (a^2 + 4 b (K-1)) / (4 b)

C2 = (10 / c)

Una volta calcolati i valori, il circuito è stato costruito con i valori, che si possono vedere in una delle immagini sopra. Va notato che poiché è stato utilizzato un guadagno di 1, R3 è stato sostituito con un circuito aperto e R4 è stato sostituito con un cortocircuito. Una volta che il circuito è stato assemblato, l'amplificatore operazionale è stato alimentato con 15 V da un alimentatore CC. Analogamente agli altri componenti, l'ingresso e l'uscita erano collegati rispettivamente a un generatore di funzioni e a un oscilloscopio. È stato creato un grafico dello sweep AC, visto in "Low Pass Filter AC Sweep" sopra. Il grafico in nero nella simulazione LabView del circuito, conferma i nostri risultati.

Passaggio 4: LabVIEW

Il programma LabVIEW mostrato nell'immagine viene utilizzato per calcolare i battiti al minuto e per visualizzare una rappresentazione visiva dell'ECG in ingresso. L'assistente DAQ acquisisce il segnale in ingresso e imposta i parametri di campionamento. Il grafico della forma d'onda traccia quindi l'input che il DAQ riceve sull'interfaccia utente da visualizzare all'utente. Vengono eseguite analisi multiple sui dati di input. I valori massimi dei dati di input vengono rilevati utilizzando l'identificatore Max/Min e i parametri per rilevare i picchi vengono impostati utilizzando Peak Detection. Utilizzando un array di indici delle posizioni dei picchi, il tempo tra i valori massimi dati dal componente Change in Time e varie operazioni aritmetiche, il BPM viene calcolato e visualizzato come output numerico.

Passaggio 5: circuito completato

Una volta collegati tutti i componenti, l'intero sistema è stato testato con un segnale ECG simulato. Quindi, il circuito è stato utilizzato per filtrare e amplificare un ECG umano con i risultati visualizzati tramite il suddetto programma LabView. Gli elettrodi sono stati attaccati al polso destro, al polso sinistro e alla caviglia sinistra. Il polso sinistro e il polso destro erano collegati agli ingressi dell'amplificatore della strumentazione, mentre la caviglia sinistra era collegata a massa. L'uscita del filtro passa-basso è stata quindi collegata al DAQ Assistant. Utilizzando lo stesso diagramma a blocchi LabView di prima, il programma è stato eseguito. Con l'ECG umano che passava, è stato visto un segnale chiaro e stabile dall'uscita dell'intero sistema, che può essere visto nell'immagine sopra.