ECG e cardiofrequenzimetro: 7 passaggi (con immagini)

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.

Uno degli strumenti diagnostici più importanti utilizzati per rilevare queste condizioni è l'elettrocardiogramma (ECG). Un elettrocardiogramma funziona tracciando l'impulso elettrico attraverso il cuore e ritrasmettendolo alla macchina [1]. Il segnale viene captato da elettrodi posti sul corpo. Il posizionamento degli elettrodi è fondamentale per raccogliere i segnali fisiologici poiché funzionano registrando la differenza di potenziale in tutto il corpo. Il posizionamento standard degli elettrodi consiste nell'utilizzare il triangolo di Einthoven. Qui è dove viene posizionato un elettrodo sul braccio destro, sul braccio sinistro e sulla gamba sinistra. La gamba sinistra funge da massa per gli elettrodi e capta il rumore di frequenza nel corpo. Il braccio destro ha un elettrodo negativo e il sinistro ha un elettrodo positivo per calcolare la differenza di potenziale attraverso il torace e quindi raccogliere l'energia elettrica dal cuore [2]. L'obiettivo di questo progetto era creare un dispositivo in grado di acquisire con successo un segnale ECG e riprodurre chiaramente il segnale senza rumore e con l'aggiunta di una misurazione della frequenza cardiaca.

Passaggio 1: materiali e strumenti

• Vari resistori e condensatori
• tagliere
• Generatore di funzioni
• Oscilloscopio
• Alimentazione CC
• Amplificatori operazionali
• Computer con LABView installato
• Cavi BNC
• Assistente DAQ

Passaggio 2: costruire l'amplificatore per strumentazione

Per amplificare adeguatamente il segnale bioelettrico, il guadagno complessivo dell'amplificatore per strumentazione a due stadi dovrebbe essere 1000. Ogni stadio viene moltiplicato per ottenere il guadagno complessivo e le equazioni utilizzate per calcolare i singoli stadi sono riportate di seguito.

Guadagno stadio 1: K1=1+2*R2/R1 Guadagno stadio 2: K2= -R4/R3

Usando le equazioni di cui sopra, i valori del resistore che abbiamo utilizzato erano R1 = 10 kΩ, R2 = 150 kΩ, R3 = 10 kΩ e R4 = 33 kΩ. Per garantire che questi valori forniscano l'output desiderato, è possibile simularlo online o testarlo utilizzando un oscilloscopio dopo aver costruito l'amplificatore fisico.

Dopo aver collegato i resistori selezionati e gli amplificatori operazionali nella breadboard, sarà necessario alimentare gli amplificatori operazionali ±15V da un alimentatore CC. Quindi, collegare il generatore di funzioni all'ingresso dell'amplificatore per strumentazione e l'oscilloscopio all'uscita.

La foto sopra mostra che l'amplificatore della strumentazione completato avrà l'aspetto della breadboard. Per verificare che funzioni correttamente, impostare il generatore di funzioni in modo che produca un'onda sinusoidale a 1kHz con un'ampiezza picco-picco di 20 mV. L'uscita dall'amplificatore sull'oscilloscopio dovrebbe avere un'ampiezza picco-picco di 20 V, poiché c'è un guadagno di 1000, se funziona correttamente.

Passaggio 3: crea un filtro notch

A causa del rumore della linea elettrica, era necessario un filtro per filtrare il rumore a 60Hz, che è il rumore della linea elettrica negli Stati Uniti. È stato utilizzato un filtro notch poiché filtra una frequenza specifica. Le seguenti equazioni sono state utilizzate per calcolare i valori dei resistori. Un fattore qualitativo (Q) di 8 ha funzionato bene e sono stati scelti valori del condensatore di 0.1uF per facilità di costruzione. La frequenza nelle equazioni (rappresentata come w) è la frequenza di tacca 60Hz moltiplicata per 2π.

R1=1/(2QwC)

R2=2Q/(wC)

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

Usando le equazioni di cui sopra, i valori del resistore che abbiamo utilizzato erano R1 = 1,5 kΩ, R2 = 470 kΩ e R3 = 1,5 kΩ. Per garantire che questi valori forniscano l'output desiderato, è possibile simularlo online o testarlo utilizzando un oscilloscopio dopo aver costruito l'amplificatore fisico.

L'immagine sopra mostra come apparirà il filtro notch completato nella breadboard. La configurazione per gli amplificatori operazionali è la stessa dell'amplificatore per strumentazione e il generatore di funzioni dovrebbe ora essere impostato per produrre un'onda sinusoidale a 1kHz con un'ampiezza da picco a picco di 1V. Se esegui un AC Sweep dovresti essere in grado di verificare che le frequenze intorno a 60Hz siano filtrate.

Passaggio 4: crea un filtro passa basso

Per filtrare il rumore ad alta frequenza che non è correlato all'ECG è stato creato un filtro passa-basso con una frequenza di taglio di 150 Hz.

R1=2/(w[aC2+qrt(a2+4b(K-1))C2^2-4b*C1*C2)

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

R3=K(R1+R2)/(K-1)

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

R4=K(R1+R2)

Usando le equazioni di cui sopra, i valori del resistore che abbiamo utilizzato erano R1 = 12kΩ, R2 = 135kΩ, C1 = 0,01 µF e C2 = 0,068 µF. I valori per R3 e R4 hanno finito per essere zero poiché volevamo che il guadagno, K, del filtro fosse zero, quindi abbiamo usato fili invece di resistori qui nella configurazione fisica. Per garantire che questi valori forniscano l'output desiderato, è possibile simularlo online o testarlo utilizzando un oscilloscopio dopo aver costruito l'amplificatore fisico.

Per costruire il filtro fisico, collegare i resistori e i condensatori scelti all'amplificatore operazionale come mostrato nello schema. Alimentare l'amplificatore operazionale e collegare il generatore di funzioni e l'oscilloscopio nello stesso modo descritto nei passaggi precedenti. Impostare il generatore di funzioni per produrre un'onda sinusoidale a 150Hz e con un'ampiezza picco-picco di circa 1 V. Poiché 150Hz dovrebbe essere la frequenza di taglio, se il filtro funziona correttamente, l'ampiezza dovrebbe essere 3dB a questa frequenza. Questo ti dirà se il filtro è impostato correttamente.

Passaggio 5: collegare tutti i componenti insieme

Dopo aver costruito ciascun componente e averli testati separatamente, possono essere collegati tutti in serie. Collegare il generatore di funzioni all'ingresso dell'amplificatore per strumentazione, quindi collegare l'uscita di quello all'ingresso del filtro notch. Ripetere questa operazione collegando l'uscita del filtro notch all'ingresso del filtro passa basso. L'uscita del filtro passa basso dovrebbe quindi collegarsi all'oscilloscopio.

Passaggio 6: configurazione di LabVIEW

La forma d'onda del battito cardiaco ECG è stata quindi acquisita utilizzando un assistente DAQ e LabView. Un assistente DAQ acquisisce i segnali analogici e definisce i parametri di campionamento. Collegare l'assistente DAQ al generatore di funzioni che emette un segnale cardiaco arb e al computer con LabView. Configura LabView secondo lo schema mostrato sopra. L'assistente DAQ porterà l'onda cardiaca dal generatore di funzioni. Aggiungi anche il grafico della forma d'onda alla configurazione di LabView per visualizzare il grafico. Utilizzare gli operatori numerici per impostare una soglia per il valore massimo. Nello schema mostrato è stato utilizzato l'80%. L'analisi dei picchi dovrebbe anche essere utilizzata per trovare le posizioni dei picchi e collegarle al cambiamento di tempo. Moltiplicare la frequenza di picco per 60 per calcolare i battiti al minuto e questo numero è stato emesso accanto al grafico.

Passaggio 7: ora puoi registrare un ECG

[1] "Elettrocardiogramma - Texas Heart Institute Heart Information Center". [In linea]. Disponibile: https://www.texasheart.org/HIC/Topics/Diag/diekg.cfm. [Accesso: 09-dic-2017].

[2] "Le derivazioni ECG, la polarità e il triangolo di Einthoven - Il fisiologo studentesco". [In linea]. Disponibile: https://thephysiologist.org/study-materials/the-ecg-leads-polarity-and-einthovens-triangle/. [Accesso: 10-dic-2017].