ECG digitale e cardiofrequenzimetro: 8 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 l'alimentazione a batteria e altre tecniche di isolamento adeguate

Un elettrocardiogramma (ECG) registra i segnali elettrici durante il ciclo cardiaco. Ogni volta che il cuore batte, c'è un ciclo di depolarizzazione e iperpolarizzazione delle cellule del miocardio. La depolarizzazione e l'iperpolarizzazione possono essere registrate da elettrodi e i medici leggono queste informazioni per saperne di più su come funziona il cuore. Un ECG può determinare un infarto del miocardio, fibrillazione atriale o ventricolare, tachicardia e bradicardia [1]. Dopo aver determinato quale sia il problema dall'ECG, i medici possono diagnosticare e curare con successo il paziente. Segui i passaggi seguenti per imparare a creare il tuo dispositivo di registrazione dell'elettrocardiogramma!

Passaggio 1: materiali

Componenti del circuito:

• Cinque amplificatori operazionali UA741
• resistori
• Condensatori
• Ponticelli
• Scheda DAQ
• Software LabVIEW

Apparecchiatura di prova:

• Generatore di funzioni
• Alimentazione CC
• Oscilloscopio
• Cavi BNC e splitter a T
• Cavi jumper
• Clip di coccodrillo
• Spine a banana

Passaggio 2: amplificatore per strumentazione

Il primo stadio del circuito è un amplificatore per strumentazione. Questo amplifica il segnale biologico in modo da poter distinguere le diverse componenti dell'ECG.

Lo schema del circuito per l'amplificatore per strumentazione è mostrato sopra. Il guadagno del primo stadio di questo circuito è definito come K1 = 1 + 2*R2 / R1. Il guadagno del secondo stadio del circuito è definito come K2 = R4 / R3. Il guadagno complessivo dell'amplificatore per strumentazione è K1 * K2. Il guadagno desiderato per questo progetto era di circa 1000, quindi K1 è stato scelto per essere 31 e K2 è stato scelto per essere 33. I valori dei resistori per questi guadagni sono mostrati sopra nello schema del circuito. È possibile utilizzare i valori del resistore mostrati sopra oppure modificare i valori per soddisfare il guadagno desiderato.**

Una volta scelti i valori dei componenti, il circuito può essere costruito sulla breadboard. Per semplificare le connessioni del circuito sulla breadboard, il binario orizzontale negativo in alto è stato impostato come massa mentre i due binari orizzontali in basso sono stati impostati rispettivamente a +/- 15V.

Il primo amplificatore operazionale è stato posizionato sul lato sinistro della breadboard per lasciare spazio a tutti i componenti rimanenti. Gli allegati sono stati aggiunti in ordine cronologico dei perni. Ciò rende più facile tenere traccia di quali pezzi sono stati aggiunti o meno. Una volta completati tutti i pin per l'amplificatore operazionale 1, è possibile posizionare l'amplificatore operazionale successivo. Ancora una volta, assicurati che sia relativamente vicino per lasciare spazio. Lo stesso processo cronologico dei pin è stato completato per tutti gli amplificatori operazionali fino al completamento dell'amplificatore della strumentazione.

Sono stati quindi aggiunti condensatori di bypass oltre allo schema elettrico per eliminare l'accoppiamento CA nei fili. Questi condensatori sono stati messi in parallelo con l'alimentazione di tensione CC e messi a terra sulla guida negativa orizzontale superiore. Questi condensatori dovrebbero essere nell'intervallo da 0,1 a 1 microFarad. Ciascun amplificatore operazionale ha due condensatori di bypass, uno per il pin 4 e uno per il pin 7. I due condensatori su ciascun amplificatore operazionale devono avere lo stesso valore, ma possono variare da amplificatore operazionale a amplificatore operazionale.

Per testare l'amplificazione, un generatore di funzioni e un oscilloscopio sono stati collegati rispettivamente all'ingresso e all'uscita dell'amplificatore. Il segnale in ingresso era anche collegato all'oscilloscopio. Per determinare l'amplificazione è stata utilizzata una semplice onda sinusoidale. Immettere l'uscita del generatore di funzioni nei due terminali di ingresso dell'amplificatore per strumentazione. Impostare l'oscilloscopio per misurare il rapporto tra segnale di uscita e segnale di ingresso. Il guadagno di un circuito in decibel è Gain = 20 * log10(Vout / Vin). Per un guadagno di 1000, il guadagno in decibel è 60dB. Usando l'oscilloscopio, puoi determinare se il guadagno del tuo circuito costruito soddisfa le tue specifiche, o se hai bisogno di cambiare alcuni valori del resistore per migliorare il tuo circuito.

Una volta che l'amplificatore per strumentazione è correttamente assemblato e funzionante, si può passare al filtro notch.

**Nello schema elettrico sopra, R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 =R42

Passaggio 3: filtro notch

Lo scopo del filtro notch è rimuovere il rumore dall'alimentatore a parete a 60 Hz. Un filtro notch attenua il segnale alla frequenza di taglio e fa passare le frequenze sopra e sotto di essa. Per questo circuito, la frequenza di taglio desiderata è 60 Hz.

Le equazioni di governo per lo schema circuitale mostrato sopra sono R1 = 1 /(2 * Q * w *C), R2 = 2 * Q / (w * C), e R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), dove Q è il fattore di qualità e w è 2 * pi * (frequenza di taglio). Un fattore di qualità di 8 fornisce valori di resistore e condensatore in un intervallo ragionevole. Si può presumere che i valori dei condensatori siano tutti uguali. Pertanto, puoi scegliere un valore di condensatore disponibile nei tuoi kit. I valori del resistore mostrati nel circuito sopra sono per una frequenza di taglio di 60 Hz, un fattore di qualità di 8 e un valore del condensatore di 0,22 uF.

Poiché i condensatori si sommano in parallelo, due condensatori del valore scelto C sono stati messi in parallelo per ottenere un valore di 2C. Inoltre, sono stati aggiunti condensatori di bypass all'amplificatore operazionale.

Per testare il filtro notch, collegare l'uscita dal generatore di funzioni all'ingresso del filtro notch. Osservare l'ingresso e l'uscita del circuito su un oscilloscopio. Per avere un filtro notch efficace, dovresti avere un guadagno inferiore o uguale a -20dB alla frequenza di taglio. Poiché i componenti non sono ideali, questo può essere difficile da ottenere. I valori calcolati del resistore e del condensatore potrebbero non fornire il guadagno desiderato. Ciò richiederà di apportare modifiche ai valori del resistore e del condensatore.

Per farlo, concentrati su un componente alla volta. Aumenta e diminuisce il valore di un singolo componente senza modificarne altri. Osserva gli effetti che questo ha sul guadagno del circuito. Ciò potrebbe richiedere molta pazienza per ottenere il guadagno desiderato. Ricorda, puoi aggiungere resistori in serie per aumentare o diminuire i valori dei resistori. La modifica che ha migliorato maggiormente il nostro guadagno è stata l'aumento di uno dei condensatori a 0,33 uF.

Passaggio 4: filtro passa basso

Il filtro passa basso rimuove il rumore a frequenza più elevata che potrebbe interferire con il segnale ECG. Un taglio passa basso di 40 Hz è sufficiente per acquisire le informazioni sulla forma d'onda ECG. Tuttavia, alcuni componenti dell'ECG superano i 40 Hz. Potrebbe essere utilizzato anche un taglio di 100 Hz o 150 Hz [2].

Il filtro passa basso costruito è un filtro Butterworth del secondo ordine. Poiché il guadagno del nostro circuito è determinato dall'amplificatore della strumentazione, vogliamo un guadagno di 1 all'interno della banda per il filtro passa basso. Per un guadagno di 1, RA è in corto circuito e RB è in circuito aperto nello schema circuitale sopra [3]. Nel circuito, C1 = 10 / (fc) uF, dove fc è la frequenza di taglio. C1 deve essere minore o uguale a C2 * a^2 / (4 * b). Per un filtro Butterworth del secondo ordine, a = sqrt(2) e b = 1. Inserendo i valori per a e b, l'equazione per C2 si semplifica a minore o uguale a C1 / 2. Quindi R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt(a^2 *C2 ^2 - 4 *b * C1 * C2))] e R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), dove w = 2 *pi * fc. I calcoli per questo circuito sono stati completati per fornire un cutoff di 40Hz. I valori di resistori e condensatori che soddisfano queste specifiche sono mostrati nello schema circuitale sopra.

L'amplificatore operazionale è stato posizionato sul lato più a destra della breadboard poiché nessun altro componente verrà aggiunto dopo di esso. Resistori e condensatori sono stati aggiunti all'amplificatore operazionale per completare il circuito. Anche i condensatori di bypass sono stati aggiunti all'amplificatore operazionale. Il terminale di ingresso è stato lasciato vuoto poiché l'ingresso proverrà dal segnale di uscita del filtro notch. Tuttavia, a scopo di test, è stato posizionato un filo sul pin di ingresso per poter isolare il filtro passa basso e testarlo individualmente.

Un'onda sinusoidale dal generatore di funzioni è stata utilizzata come segnale di ingresso e osservata a frequenze diverse. Osservare sia i segnali di ingresso che di uscita su un oscilloscopio e determinare il guadagno del circuito a frequenze diverse. Per un filtro passa basso, il guadagno alla frequenza di taglio dovrebbe essere -3db. Per questo circuito, il cutoff dovrebbe avvenire a 40 Hz. Le frequenze sotto i 40 Hz dovrebbero avere poca o nessuna attenuazione nella loro forma d'onda, ma quando la frequenza aumenta sopra i 40 Hz, il guadagno dovrebbe continuare a diminuire.

Passaggio 5: assemblaggio delle fasi del circuito

Una volta che hai costruito ogni fase del circuito e li hai testati in modo indipendente, puoi collegarli tutti. L'uscita dell'amplificatore per strumentazione deve essere collegata all'ingresso del filtro notch. L'uscita del filtro notch deve essere collegata all'ingresso del filtro passa basso.

Per testare il circuito, collegare l'ingresso del generatore di funzioni all'ingresso dello stadio dell'amplificatore della strumentazione. Osservare l'ingresso e l'uscita del circuito su un oscilloscopio. Puoi eseguire il test con un'onda ECG preprogrammata dal generatore di funzioni o con un'onda sinusoidale e osservare gli effetti del tuo circuito. Nell'immagine dell'oscilloscopio sopra, la curva gialla è la forma d'onda in ingresso e la curva verde è l'uscita.

Dopo aver collegato tutti gli stadi del circuito e aver dimostrato che funziona correttamente, puoi collegare l'uscita del tuo circuito alla scheda DAQ e iniziare a programmare in LabVIEW.

Passaggio 6: programma LabVIEW

Il codice LabVIEW serve a rilevare i battiti per metro da un'onda ECG simulata a frequenze diverse. Per programmare in LabVIEW devi prima identificare tutti i componenti. Un convertitore da analogico a digitale, noto anche come scheda di acquisizione dati (DAQ), deve essere configurato e impostato per funzionare continuamente. Il segnale in uscita dal circuito è collegato all'ingresso della scheda DAQ. Il grafico della forma d'onda nel programma LabVIEW è collegato direttamente all'uscita dell'assistente DAQ. L'output dei dati DAQ va anche all'identificatore max/min. Il segnale passa quindi attraverso un operatore aritmetico di moltiplicazione. L'indicatore numerico di 0,8 viene utilizzato per calcolare il valore di soglia. Quando il segnale supera 0.8*Maximum, viene rilevato un picco. Ogni volta che è stato trovato questo valore, è stato memorizzato nell'array dell'indice. I due punti dati vengono memorizzati nell'array indice e vengono immessi nell'operatore aritmetico di sottrazione. La variazione nel tempo è stata trovata tra questi due valori. Quindi, per calcolare la frequenza cardiaca, 60 viene diviso per la differenza di tempo. Un indicatore numerico, mostrato accanto al grafico di uscita, emette la frequenza cardiaca in battiti al minuto (bpm) del segnale di ingresso. Una volta che il programma è configurato, dovrebbe essere inserito in un ciclo while continuo. Diversi ingressi di frequenza danno diversi valori di bpm.

Passaggio 7: raccogliere dati ECG

Ora puoi inserire un segnale ECG simulato nel tuo circuito e registrare i dati nel tuo programma LabVIEW! Modificare la frequenza e l'ampiezza dell'ECG simulato per vedere come influisce sui dati registrati. Quando cambi la frequenza, dovresti vedere un cambiamento nella frequenza cardiaca calcolata. Hai progettato con successo un ECG e un cardiofrequenzimetro!

Passaggio 8: ulteriori miglioramenti

Il dispositivo costruito funzionerà bene per l'acquisizione di segnali ECG simulati. Tuttavia, se si desidera registrare segnali biologici (assicurarsi di seguire le precauzioni di sicurezza appropriate), è necessario apportare ulteriori modifiche ai circuiti per migliorare la lettura del segnale. È necessario aggiungere un filtro passa alto per rimuovere l'offset CC e gli artefatti da movimento a bassa frequenza. Anche il guadagno dell'amplificatore per strumentazione dovrebbe essere ridotto di dieci volte per rimanere all'interno dell'intervallo utilizzabile per LabVIEW e gli amplificatori operazionali.

Fonti

[1] S. Meek e F. Morris, “Introduzione. II--terminologia di base., "BMJ, vol. 324, n. 7335, pp. 470-3, febbraio 2002.

[2] Chia-Hung Lin, Funzioni nel dominio della frequenza per la discriminazione del battito ECG utilizzando il classificatore basato sull'analisi relazionale grigia, In Computers & Mathematics with Applications, Volume 55, Issue 4, 2008, Pages 680-690, ISSN 0898-1221, [3] “Filtro secondo ordine | Design del filtro passa-basso del secondo ordine.” Tutorial di elettronica di base, 9 settembre 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…