Monitor ECG: 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 tecniche di isolamento adeguate.

L'elettrocardiografia è il processo di registrazione di segnali elettrici generati dal cuore di un paziente per ottenere informazioni sull'attività del cuore. Affinché il segnale elettrico possa essere catturato in modo efficace, deve essere filtrato e amplificato attraverso componenti elettrici. Le informazioni devono inoltre essere presentate all'utente in modo chiaro ed efficace.

Il seguente Instructable illustra come costruire i circuiti di amplificazione/filtraggio e un'interfaccia utente. Si tratta di costruire un amplificatore per strumentazione, un filtro notch, un filtro passa basso e un'interfaccia utente in LabVIEW.

Il primo passo nel processo è definire i requisiti del circuito analogico. Dopo aver definito i requisiti, vengono prese le decisioni su quali componenti primari costituiranno il circuito. Successivamente, vengono affrontati i dettagli più piccoli riguardanti le caratteristiche di questi componenti principali e, infine, la fase di progettazione del circuito si conclude definendo i valori esatti di ogni resistore e condensatore nel circuito.

Passaggio 1: definizione dei requisiti e dei componenti primari

Il compito del circuito è amplificare il segnale ECG generato dal paziente e filtrare tutti i disturbi associati. Il segnale grezzo è costituito da una forma d'onda complessa con un'ampiezza massima di circa 2 mV e componenti di frequenza nell'intervallo da 100 Hz a 250 Hz nel complesso QRS. Questo è il segnale da amplificare e registrare.

Oltre a quel segnale di interesse, il rumore viene prodotto da diverse fonti. Gli alimentatori generano rumore a 60 Hz e il movimento del paziente produce artefatti nell'intervallo inferiore a 1 Hz. Più rumore ad alta frequenza viene introdotto dalle radiazioni di fondo e dai segnali di telecomunicazione come telefoni cellulari e Internet wireless. Questa raccolta di rumore è il segnale da filtrare.

Il circuito deve prima amplificare il segnale grezzo. Deve quindi filtrare il rumore a 60 Hz e qualsiasi altro rumore superiore a 160 Hz. Il filtraggio del rumore a bassa frequenza associato al movimento del paziente è ritenuto non necessario, poiché è possibile semplicemente istruire il paziente a rimanere fermo.

Poiché il segnale viene misurato come differenza di potenziale tra due elettrodi posizionati sul paziente, l'amplificazione viene ottenuta mediante l'uso di un amplificatore per strumentazione. Potrebbe essere utilizzato anche un semplice amplificatore differenziale, ma gli amplificatori per strumentazione spesso si comportano meglio per quanto riguarda la reiezione del rumore e le tolleranze. Il filtraggio a 60 Hz è ottenuto mediante l'uso di un filtro notch, mentre il resto del filtraggio ad alta frequenza è ottenuto mediante l'uso di un filtro passa-basso. Questi tre elementi costituiscono l'intero circuito analogico.

Conoscendo i tre elementi del circuito, si possono definire dettagli minori riguardanti guadagni, frequenze di taglio e larghezze di banda dei componenti.

L'amplificatore della strumentazione sarà impostato su un guadagno di 670. Questo è abbastanza grande da registrare un piccolo segnale ECG, ma anche abbastanza piccolo da garantire che gli amplificatori operazionali si comportino all'interno della loro gamma lineare quando si testa il circuito con segnali vicini a 20 mV, come è il minimo su alcuni generatori di funzioni.

Il filtro notch sarà centrato su 60 Hz.

Il filtro passa basso avrà una frequenza di taglio di 160 Hz. Questo dovrebbe comunque catturare la maggior parte del complesso QRS e respingere il rumore di fondo ad alta frequenza.

Passaggio 2: amplificatore per strumentazione

Gli schemi sopra descrivono l'amplificatore della strumentazione.

L'amplificatore ha due stadi. Il primo stadio è costituito dai due amplificatori operazionali a sinistra delle immagini sopra, e il secondo stadio è costituito dal singolo amplificatore operazionale a destra. Il guadagno di ognuno di questi può essere modulato a piacimento, ma abbiamo deciso di costruirlo con un guadagno di 670 V/V. Ciò può essere ottenuto con i seguenti valori di resistenza:

R1: 100 Ohm

R2: 3300 Ohm

R3: 100 Ohm

R4: 1000 Ohm

Passaggio 3: filtro notch

Gli schemi sopra descrivono il filtro notch. Questo è un filtro attivo, quindi potremmo scegliere di amplificare o attenuare un segnale se lo desideriamo, ma abbiamo già ottenuto tutta l'amplificazione necessaria, quindi scegliamo un guadagno di uno per questo amplificatore operazionale. La frequenza centrale dovrebbe essere 60 Hz e il fattore di qualità dovrebbe essere 8. Ciò può essere ottenuto con i seguenti valori dei componenti:

R1: 503 Ohm

R2: 128612 Ohm

R3: 503 Ohm

C: 0,33 microfarad

Passaggio 4: filtro passa basso

Di nuovo, questo è un filtro attivo, quindi potremmo scegliere qualsiasi guadagno desideriamo, ma sceglieremo 1. Ciò si ottiene trasformando R4 sopra in un cortocircuito e R3 in un circuito aperto. Il resto è, come per gli altri componenti, ottenuto utilizzando i nostri requisiti precedentemente definiti in combinazione con le equazioni che governano i circuiti per ottenere i valori dei singoli elementi:

R1: 12056 Ohm

R2: 19873,6 Ohm

C1: 0,047 microfarad

C2: 0,1 microfarad

Passaggio 5: progettare virtualmente il circuito completo

Progettare un circuito in un software per la creazione di circuiti virtuali come PSPICE può essere molto utile per rilevare errori e consolidare i piani prima di passare alla fabbricazione di circuiti analogici reali. A questo punto, è possibile acquisire le scansioni CA del circuito per garantire che tutto si comporti secondo i piani.

Passaggio 6: costruire il circuito completo

Il circuito può essere costruito nel modo che preferisci, ma per questo caso è stata scelta una breadboard.

Si consiglia l'assemblaggio su una breadboard perché è più facile della saldatura, ma la saldatura darebbe maggiore durata. Si consiglia inoltre di posizionare un condensatore di bypass da 0,1 microFarad a terra in parallelo con la fonte di alimentazione, poiché ciò aiuta a eliminare deviazioni indesiderate dalla potenza costante.

Passaggio 7: interfaccia utente LabVIEW

L'interfaccia utente di LabVIEW è un mezzo per convertire da segnali analogici a rappresentazioni visive e numeriche del segnale ECG che sono facili da interpretare per un utente. Una scheda DAQ viene utilizzata per convertire il segnale da analogico a digitale e i dati vengono importati in LabVIEW.

Il software è un programma basato su oggetti che aiuta nell'elaborazione dei dati e nella creazione dell'interfaccia. I dati vengono prima rappresentati visivamente dal grafico, quindi viene eseguita un'elaborazione del segnale per determinare la frequenza del battito cardiaco in modo che possa essere visualizzato accanto al grafico.

Per determinare la frequenza cardiaca, è necessario rilevare i battiti cardiaci. Ciò può essere ottenuto con l'oggetto di rilevamento del picco di Lab VIEW. L'oggetto emette gli indici dei picchi nell'array di dati ricevuti, che possono quindi essere utilizzati nei calcoli per determinare il tempo che trascorre tra i battiti cardiaci.

Poiché i dettagli di LabVIEW sarebbero un Instructable completamente diverso, lasceremo i dettagli a un'altra fonte. Il funzionamento esatto del programma può essere visto nello schema a blocchi presentato sopra.

Passaggio 8: interfaccia utente finale di LabVIEW

L'interfaccia utente finale visualizza un segnale amplificato, filtrato, convertito ed elaborato insieme alla lettura della frequenza cardiaca in battiti al minuto