Registrazione dei segnali bioelettrici: ECG e cardiofrequenzimetro: 7 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.

Un elettrocardiogramma (ECG) è un test in cui gli elettrodi di superficie vengono posizionati su un soggetto in un modo specifico per rilevare e misurare l'attività elettrica del cuore del soggetto [1]. Un ECG ha molti usi e può funzionare per aiutare nella diagnosi delle condizioni cardiache, nei test da sforzo e nell'osservazione durante un intervento chirurgico. Un ECG può anche rilevare cambiamenti nei battiti cardiaci, aritmie, infarto e molte altre esperienze e malattie [1] descritte anche nella dichiarazione del problema sopra. Il segnale cardiaco misurato da un ECG produce tre forme d'onda distinte che rappresentano un feed in tempo reale del cuore funzionante. Questi sono mostrati nell'immagine sopra.

L'obiettivo di questo progetto è creare un dispositivo in grado di ottenere il segnale ECG da un generatore di uscita o umano e riprodurre il segnale eliminando il rumore. L'output del sistema calcolerà anche il BPM.

Iniziamo!

Passaggio 1: raccogliere tutti i materiali

Per creare questo ECG, creeremo un sistema composto da due parti principali, il circuito e il sistema LabVIEW. Lo scopo del circuito è assicurarsi che stiamo ottenendo il segnale che vogliamo. C'è molto rumore ambientale che può soffocare il nostro segnale ECG, quindi dobbiamo amplificare il nostro segnale e filtrare qualsiasi rumore. Dopo che il segnale è stato filtrato e amplificato attraverso il circuito, possiamo inviare il segnale raffinato a un programma LabVIEW che visualizzerà la forma d'onda e calcolerà il BPM. Per questo progetto sono necessari i seguenti materiali:

-Resistore, condensatore e amplificatore operazionale (sono stati utilizzati amplificatori operazionali - UA741) componenti elettrici

-Breadboard senza saldatura per la costruzione e il test

-Alimentazione CC per fornire alimentazione agli amplificatori operazionali

-Generatore di funzioni per fornire segnale bioelettrico

-Oscilloscopio per visualizzare il segnale in ingresso

-Scheda DAQ per convertire il segnale da analogico a digitale

-Software LabVIEW per l'osservazione del segnale in uscita

-BNC e cavi con estremità variabile

Passaggio 2: progettazione del circuito

Come abbiamo appena discusso, è necessario sia filtrare che amplificare il nostro segnale. Per fare ciò, possiamo impostare 3 diverse fasi del nostro circuito. Per prima cosa, dobbiamo amplificare il nostro segnale. Questo può essere fatto utilizzando un amplificatore per strumentazione. In questo modo, il nostro segnale in ingresso può essere visto molto meglio nel prodotto finale. Dobbiamo quindi avere un filtro notch in serie con questo amplificatore per strumentazione. Il filtro notch verrà utilizzato per eliminare il rumore dalla nostra fonte di alimentazione. Successivamente, possiamo avere un filtro passa basso. Poiché le letture dell'ECG sono generalmente di bassa frequenza, vogliamo tagliare tutte le frequenze che sono a una frequenza che è al di fuori dei nostri limiti di lettura dell'ECG, quindi utilizziamo un filtro passa basso. Queste fasi sono spiegate più dettagliatamente nei passaggi seguenti.

Se hai problemi con il tuo circuito, è meglio simulare il tuo circuito in un programma online. In questo modo, puoi verificare se i tuoi calcoli per i valori di resistori e condensatori sono corretti.

Passaggio 3: progettazione dell'amplificatore per strumentazione

Per osservare il segnale bioelettrico in modo più efficiente, il segnale deve essere amplificato. Per questo progetto, il guadagno da raggiungere è di 1000 V/V. Per raggiungere il guadagno specificato dall'amplificatore della strumentazione, i valori di resistenza per il circuito sono stati calcolati dalle seguenti equazioni:

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

(Fase 2) K2 = -R4 / R3

Dove ciascuna delle fasi viene moltiplicata per calcolare il guadagno complessivo. I valori della resistenza scelti per creare un guadagno di 1000 V/V sono R1 = 10 kOhm, R2 = 150 kOhm, R3 = 10 kOhm e R4 = 330 kOhm. Utilizzare l'alimentatore CC per fornire un intervallo di tensione di +/- 15 V (mantenendo basso il limite di corrente) per alimentare gli amplificatori operazionali del circuito fisico. Se si desidera verificare i valori reali dei resistori o si desidera ottenere questo guadagno prima di costruire, è possibile simulare il circuito utilizzando un programma come PSpice o CircuitLab online, oppure utilizzare un oscilloscopio con una determinata tensione del segnale di ingresso e verificare il vero guadagno dopo aver costruito un amplificatore fisico. Collegare il generatore di funzioni e l'oscilloscopio all'amplificatore per eseguire il circuito.

La foto sopra mostra come appare il circuito nel software di simulazione PSpice. Per verificare che il circuito funzioni correttamente, fornire un'onda sinusoidale da 1 kHz a 10 mV picco-picco dal generatore di funzioni, attraverso il circuito e all'oscilloscopio. Sull'oscilloscopio dovrebbe essere osservata un'onda sinusoidale di 10 V picco-picco.

Passaggio 4: progettazione del filtro notch

Un problema specifico quando si ha a che fare con questo circuito è il fatto che un segnale di rumore a 60 Hz è prodotto dalle linee di alimentazione negli Stati Uniti. Per rimuovere questo rumore, il segnale in ingresso nel circuito deve essere filtrato a 60 Hz, e quale modo migliore per farlo se non con un filtro notch!

Un filtro notch (il circuito illustrato sopra) è un certo tipo di filtro elettrico che può essere utilizzato per rimuovere una frequenza specifica da un segnale. Per rimuovere il segnale a 60 Hz, abbiamo calcolato le seguenti equazioni:

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Utilizzando un fattore di qualità (Q) di 8 per progettare un filtro decentemente accurato, una capacità (C) di 0,033 uFarad per un montaggio più semplice e una frequenza centrale (w) di 2 * pi * 60 Hz. Questo ha calcolato con successo i valori per i resistori R1 = 5,024 kOhm, R2 = 1,2861 MOhm e R3 = 5,004 kOhm e ha creato con successo un filtro per rimuovere una frequenza di 60 Hz dal segnale bioelettrico in ingresso. Se si desidera controllare il filtro, è possibile simulare il circuito utilizzando un programma come PSpice o CircuitLab online, oppure utilizzare un oscilloscopio con una determinata tensione del segnale di ingresso e verificare il segnale rimosso dopo aver costruito un amplificatore fisico. Collegare il generatore di funzioni e l'oscilloscopio all'amplificatore per eseguire il circuito.

L'esecuzione di uno sweep CA con questo circuito su un intervallo di frequenze da 1 Hz a 1 kHz con un segnale da picco a picco di 1 V dovrebbe produrre una funzione di tipo "notch" a 60 Hz nel grafico di uscita, che viene rimosso dall'ingresso segnale.

Passaggio 5: progettazione del filtro passa basso

Lo stadio finale del circuito è il filtro passa basso, in particolare un filtro passa basso Butterworth del secondo ordine. Questo è usato per isolare il nostro segnale ECG. Le forme d'onda dell'ECG sono generalmente entro i limiti di frequenza da 0 a ~100 Hz. Quindi, calcoliamo i nostri valori di resistore e condensatore in base alla frequenza di taglio di 100 Hz e un fattore di qualità di 8, che ci darebbe un filtro relativamente accurato.

R1=2/(w[aC2+qrt(a2+4b(K-1))

C2^2-4b*C1*C2) R2=1/(b*C1*C2*R1*w^2)

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

I valori che abbiamo calcolato sono risultati R1 = 81,723 kOhm, R2 = 120,92 kOhm, C1 = 0,1 microFarad e C2 = 0,045 microFarad. Alimenta gli amplificatori operazionali con una tensione CC di + e - 15V. Se si desidera controllare il filtro, è possibile simulare il circuito utilizzando un programma come PSpice o CircuitLab online, oppure utilizzare un oscilloscopio con una determinata tensione del segnale di ingresso e verificare il segnale rimosso dopo aver costruito un amplificatore fisico. Collegare il generatore di funzioni e l'oscilloscopio all'amplificatore per eseguire il circuito. Alla frequenza di taglio, dovresti vedere una grandezza di -3 dB. Ciò indica che il circuito funziona correttamente.

Passaggio 6: configurazione di LabVIEW

Ora che il circuito è stato creato, vogliamo essere in grado di interpretare il nostro segnale. Per fare ciò, possiamo utilizzare LabVIEW. Un assistente DAQ può essere utilizzato per acquisire il segnale dal circuito. Dopo aver aperto LabVIEW, configura il circuito come mostrato nello schema sopra. L'assistente DAQ prenderà questa lettura di ingresso dal circuito e il segnale andrà al grafico della forma d'onda. Questo ti permetterà di vedere la forma d'onda dell'ECG!

Successivamente vogliamo calcolare il BPM. La configurazione sopra lo farà per te. Il programma funziona prendendo prima i valori massimi del segnale ECG in ingresso. Il valore di soglia ci permette di rilevare tutti i nuovi valori in arrivo che raggiungono una percentuale del nostro valore massimo (in questo caso 90%). Le posizioni di questi valori vengono quindi inviate all'array di indicizzazione. Poiché l'indicizzazione inizia da 0, vogliamo prendere il punto 0 e il primo e calcolare la variazione di tempo tra di loro. Questo ci dà il tempo tra i battiti. Quindi estrapoliamo quei dati per trovare il BPM. In particolare, questo viene fatto moltiplicando l'output dall'elemento dt e l'output della sottrazione tra i due valori negli array di indicizzazione e quindi dividendo per 60 (poiché stiamo convertendo in minuti).

Passaggio 7: collega tutto e provalo

Collegare il circuito all'ingresso della scheda DAQ. Ora il segnale in ingresso passerà attraverso il circuito alla scheda DAQ e il programma LabVIEW emetterà la forma d'onda e il BPM calcolato.

Congratulazioni!