Costruisci il tuo ECG!: 10 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

Il battito cardiaco è costituito da contrazioni ritmiche regolate dalla presentazione spontanea di depolarizzazioni elettriche nei miociti cardiaci (le cellule muscolari del cuore). Tale attività elettrica può essere catturata posizionando elettrodi di registrazione non invasivi lungo diverse posizioni del corpo. Anche con una comprensione introduttiva dei circuiti e della bioelettricità, questi segnali possono essere catturati con relativa facilità. In questo Instructable introduciamo una metodologia semplicistica che può essere utilizzata per catturare un segnale elettrocardiografico con attrezzature pratiche ed economiche. Nel corso, evidenzieremo considerazioni essenziali nell'acquisizione di tali segnali e presenteremo tecniche per l'analisi programmatica dei segnali.

Passaggio 1: una panoramica delle funzionalità

Il dispositivo che stai costruendo funzionerà attraverso le seguenti caratteristiche:

1. Registrazioni con elettrodi
2. Amplificatore per strumentazione
3. Filtro notch
4. Filtro passa basso
5. Conversione da analogico a digitale
6. Analisi del segnale con LabView

Alcuni componenti chiave di cui avrai bisogno:

1. NI LabView
2. Scheda di acquisizione dati NI (per ingressi a LabView)
3. Alimentazione DC (per alimentare amplificatori operazionali)
4. Cuscinetti per elettrodi cutanei per registrazioni di elettrodi
5. OPPURE un generatore di funzioni in grado di creare un segnale ECG simulato

Iniziamo!

Passaggio 2: progettare un filtro passa basso

Un ECG normale contiene caratteristiche identificabili nella forma d'onda del segnale chiamate onda P, complesso QRS e onda T. Tutte le caratteristiche dell'ECG appariranno nell'intervallo di frequenza inferiore a 250 Hz e, pertanto, è importante acquisire solo le caratteristiche di interesse quando si registra un ECG dagli elettrodi. Un filtro passa-basso con una frequenza di taglio di 250 Hz assicurerà che nessun rumore ad alta frequenza venga catturato nel segnale

Passaggio 3: progettare un filtro notch

Un filtro notch a una frequenza di 60 Hz è utile per rimuovere il rumore da qualsiasi alimentazione associata alla registrazione dell'ECG. Le frequenze di taglio comprese tra 56,5 Hz e 64 Hz consentiranno il passaggio di segnali con frequenze al di fuori di tale intervallo. Al filtro è stato applicato un fattore di qualità di 8. È stata scelta una capacità di 0,1 uF. I resistori sperimentali sono stati selezionati come segue: R1=R3=1,5 kOhm, R2=502 kOhm. Questi valori sono stati utilizzati per costruire il filtro notch.

Passaggio 4: progettare un amplificatore per strumentazione

Un amplificatore per strumentazione con un guadagno di 1000 V/V amplificherà tutti i segnali filtrati per consentire una facile misurazione. L'amplificatore utilizza una serie di amplificatori operazionali ed è diviso in due stadi (sinistro e destro) con rispettivo guadagno K1 e K2. L'immagine sopra mostra uno schema del circuito che può ottenere questo risultato e la Figura 6 mostra in dettaglio i calcoli effettuati.

Passaggio 5: collega tutto insieme

Le tre fasi di amplificazione e filtraggio sono combinate nella Figura 7 di seguito. L'amplificatore per strumentazione amplifica l'ingresso in frequenza sinusoidale con un guadagno di 1000V/V. Successivamente, il filtro notch rimuove tutta la frequenza del segnale di 60 Hz con un fattore di qualità di 8. Infine, il segnale passa attraverso un filtro passa basso che attenua i segnali oltre una frequenza di 250 Hz. La figura sopra mostra il sistema completo creato sperimentalmente.

Passaggio 6: …e assicurati che funzioni

Se disponi di un generatore di funzioni, dovresti costruire una curva di risposta in frequenza per garantire una risposta adeguata. L'immagine sopra mostra il sistema completo e la curva di risposta in frequenza che dovresti aspettarti. Se il tuo sistema sembra funzionare, sei pronto per passare al passaggio successivo: convertire il segnale analogico in digitale!

Passaggio 7: (Facoltativo) Visualizza il tuo ECG sull'oscilloscopio

L'ECG registra un segnale con due elettrodi e utilizza un terzo elettrodo come massa. Con i tuoi elettrodi di registrazione ECG, inserisci uno in un ingresso dell'amplificatore per strumentazione, l'altro nell'altro ingresso dell'amplificatore per strumentazione e collega il terzo a terra sulla breadboard. Quindi, posizionare un elettrodo su un polso, l'altro sull'altro polso e mettere a terra sulla caviglia. Questa è una configurazione della derivazione 1 per un ECG. Per visualizzare il segnale sull'oscilloscopio, utilizzare una sonda dell'oscilloscopio per misurare l'uscita del terzo stadio.

Passaggio 8: acquisire dati con National Instruments DAQ

Se vuoi analizzare il tuo segnale in LabView, avrai bisogno di un modo per raccogliere dati analogici dal tuo ECG e trasferirli al computer. Ci sono tanti modi per acquisire dati! National Instruments è un'azienda specializzata in dispositivi di acquisizione dati e dispositivi di analisi dati. Sono un buon posto per cercare strumenti per raccogliere dati. Puoi anche acquistare il tuo chip convertitore analogico-digitale economico e utilizzare un Raspberry Pi per trasmettere il segnale! Questa è probabilmente l'opzione più economica. In questo caso, avevamo già un modulo NI DAQ, un NI ADC e LabView in casa, quindi siamo rimasti con hardware e software strettamente National Instruments.

Passaggio 9: importare i dati in LabVIEW

Il linguaggio di programmazione visuale LabVIEW è stato utilizzato per analizzare i dati raccolti dal sistema di amplificazione/filtraggio analogico. I dati sono stati raccolti dall'unità NI DAQ con DAQ Assistant, una funzione di raccolta dati integrata in LabVIEW. Utilizzando i controlli LabView, il numero di campioni e la durata del tempo per la raccolta dei campioni sono stati specificati in modo programmatico. I controlli sono regolabili manualmente, consentendo all'utente di regolare facilmente i parametri di input. Con il numero totale di campioni e la durata del tempo noti, è stato creato un vettore temporale con ciascun valore di indice che rappresenta il tempo corrispondente a ciascun campione nel segnale catturato.

Passaggio 10: formatta, analizza e il gioco è fatto

I dati della funzione di assistente DAQ sono stati convertiti in un formato utilizzabile. Il segnale è stato ricreato come un array 1D di doppi convertendo prima il tipo di dati di uscita DAQ in un tipo di dati di forma d'onda e quindi convertendolo in una coppia di doppi in cluster (X, Y). Ogni valore Y della coppia (X, Y) è stato selezionato e inserito in un array 1D di doppi inizialmente vuoto con l'aiuto di una struttura di loop. L'array 1D dei doppi e il corrispondente vettore temporale sono stati tracciati su un grafico XY. Contemporaneamente, il valore massimo dell'array 1D di doppi è stato identificato con una funzione di identificazione del valore massimo. Sei decimi del valore massimo sono stati utilizzati come soglia per un algoritmo di rilevamento dei picchi integrato in LabView. I valori di picco dell'array 1D di doppi sono stati identificati con la funzione di rilevamento del picco. Con le posizioni dei picchi note, è stata calcolata la differenza di tempo tra ciascun picco. Questa differenza di tempo, in unità di secondi per picco, è stata convertita in picchi per minuto. Il valore risultante è stato considerato rappresentativo della frequenza cardiaca in battiti al minuto.

Questo è tutto! Ora hai raccolto e analizzato un segnale ECG!