Come costruire un monitor digitale per ECG e frequenza cardiaca: 6 passaggi

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

Un elettrocardiogramma (ECG) misura l'attività elettrica del battito cardiaco per mostrare la velocità del battito cardiaco e il suo ritmo. C'è un impulso elettrico, noto anche come onda, che viaggia attraverso il cuore per far pompare il sangue al muscolo cardiaco ad ogni battito. Gli atri destro e sinistro creano la prima onda P e i ventricoli inferiori destro e sinistro formano il complesso QRS. L'onda T finale è dal recupero elettrico a uno stato di riposo. I medici usano i segnali ECG per diagnosticare le condizioni cardiache, quindi è importante ottenere immagini chiare.

L'obiettivo di questa istruzione è acquisire e filtrare un segnale di elettrocardiogramma (ECG) combinando un amplificatore per strumentazione, un filtro notch e un filtro passa basso in un circuito. Quindi i segnali passeranno attraverso un convertitore A/D in LabView per produrre un grafico in tempo reale e un battito cardiaco in BPM.

"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".

Passaggio 1: progettare un amplificatore per strumentazione

Per costruire un amplificatore per strumentazione, abbiamo bisogno di 3 amplificatori operazionali e 4 diversi resistori. Un amplificatore per strumentazione aumenta il guadagno dell'onda di uscita. Per questo progetto, abbiamo puntato a un guadagno di 1000 V per ottenere un buon segnale. Utilizzare le seguenti equazioni per calcolare i resistori appropriati dove K1 e K2 sono il guadagno.

Fase 1: K1 = 1 + (2R2/R1)

Fase 2: K2 = -(R4/R3)

Per questo progetto sono stati utilizzati R1 = 20,02Ω, R2 = R4 = 10kΩ, R3 = 10Ω.

Passaggio 2: progettare un filtro notch

In secondo luogo, dobbiamo costruire un filtro notch utilizzando un amplificatore operazionale, resistori e condensatori. Lo scopo di questo componente è filtrare il rumore a 60 Hz. Vogliamo filtrare esattamente a 60 Hz, quindi tutto al di sotto e al di sopra di questa frequenza passerà, ma l'ampiezza della forma d'onda sarà più bassa a 60 Hz. Per determinare i parametri del filtro, abbiamo utilizzato un guadagno di 1 e un fattore di qualità di 8. Utilizzare le equazioni seguenti per calcolare i valori di resistenza appropriati. Q è il fattore di qualità, w = 2*pi*f, f è la frequenza centrale (Hz), B è la larghezza di banda (rad/sec) e wc1 e wc2 sono le frequenze di taglio (rad/sec).

R1 = 1/(2QwC)

R2 = 2Q/(wC)

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

Q = c/B

B = wc2 - wc1

Passaggio 3: progettare un filtro passa basso

Lo scopo di questo componente è filtrare le frequenze al di sopra di una certa frequenza di taglio (wc), essenzialmente non permettendo loro di passare. Abbiamo deciso di filtrare alla frequenza di 250 Hz per evitare di tagliare troppo vicino alla frequenza media utilizzata per misurare un segnale ECG (150 Hz). Per calcolare i valori che utilizzeremo per questo componente, utilizzeremo le seguenti equazioni:

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

C2 = 10/frequenza di taglio (Hz)

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

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

Imposteremo il guadagno su 1, quindi R3 diventa un circuito aperto (nessuna resistenza) e R4 diventa un cortocircuito (solo un filo).

Passaggio 4: testare il circuito

Viene eseguita una scansione AC per ciascun componente per determinare l'efficacia del filtro. La scansione AC misura la grandezza del componente a frequenze diverse. Ti aspetti di vedere forme diverse a seconda del componente. L'importanza dello sweep AC è assicurarsi che il circuito funzioni correttamente una volta costruito. Per eseguire questo test in laboratorio, è sufficiente registrare il Vout/Vin a una gamma di frequenze. Per l'amplificatore della strumentazione abbiamo testato da 50 a 1000 Hz per ottenere un'ampia gamma. Per il filtro notch, abbiamo testato da 10 a 90 Hz per avere una buona idea di come reagisce il componente intorno ai 60 Hz. Per il filtro passa basso, abbiamo testato da 50 a 500 Hz per capire come reagisce il circuito quando dovrebbe passare e quando dovrebbe fermarsi.

Passaggio 5: circuito ECG su LabView

Successivamente, si desidera creare un diagramma a blocchi in LabView che simula un segnale ECG tramite un convertitore A/D e quindi traccia il segnale sul computer. Abbiamo iniziato impostando i parametri del segnale della nostra scheda DAQ determinando quale frequenza cardiaca media ci aspettavamo; abbiamo scelto 60 battiti al minuto. Quindi, utilizzando una frequenza di 1kHz, siamo stati in grado di determinare che avevamo bisogno di visualizzare circa 3 secondi per acquisire 2-3 picchi ECG nel grafico della forma d'onda. Abbiamo visualizzato 4 secondi per assicurarci di acquisire un numero sufficiente di picchi ECG. Il diagramma a blocchi leggerà il segnale in ingresso e utilizzerà il rilevamento del picco per determinare la frequenza con cui si verifica un battito cardiaco completo.

Passaggio 6: ECG e frequenza cardiaca

Utilizzando il codice del diagramma a blocchi, l'ECG apparirà nella casella della forma d'onda e accanto ad esso verranno visualizzati i battiti al minuto. Ora hai un cardiofrequenzimetro funzionante! Per sfidare ancora di più te stesso, prova a utilizzare il circuito e gli elettrodi per visualizzare la frequenza cardiaca in tempo reale!