Monitor digitale ECG e frequenza cardiaca: 7 passaggi (con immagini)

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

Un elettrocardiogramma, o ECG, è un metodo molto antico per misurare e analizzare la salute del cuore. Il segnale che viene letto da un ECG può indicare un cuore sano o una serie di problemi. Un design affidabile e accurato è importante perché se il segnale ECG mostra una forma d'onda deformata o un battito cardiaco errato, una persona potrebbe ricevere una diagnosi errata. L'obiettivo è progettare un circuito ECG in grado di acquisire, amplificare e filtrare il segnale ECG. Quindi, converti quel segnale attraverso un convertitore A/D in Labview per produrre un grafico in tempo reale e il battito cardiaco in BPM del segnale ECG. La forma d'onda in uscita dovrebbe assomigliare a questa immagine.

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: progettazione del circuito

Il circuito deve essere in grado di acquisire e amplificare un segnale ECG. Per fare ciò, combineremo tre filtri attivi; un amplificatore per strumentazione, un filtro passa-basso Butterworth del secondo ordine e un filtro notch. Il design di questi circuiti può essere visto nelle immagini. Li esamineremo uno alla volta, quindi li metteremo insieme per completare l'intero circuito.

Passaggio 2: amplificatore per strumentazione

Il guadagno dell'amplificatore della strumentazione deve essere 1000 V/V per ottenere un buon segnale. L'amplificazione tramite l'amplificatore della strumentazione avviene in due fasi. Il primo stadio è costituito dai due amplificatori operazionali a sinistra e dai resistori R1 e R2 e il secondo stadio di amplificazione è costituito dall'amplificatore operazionale a destra e dai resistori R3 e R4. Il guadagno (amplificazione) per lo stadio 1 e lo stadio 2 sono dati nell'equazione (1) e (2).

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

Guadagno Fase 2: K2 = R4/R3 (2)

Una nota importante sul guadagno nei circuiti è che è moltiplicativo; per esempio. il guadagno del circuito complessivo di figura 2 è K1*K2. Queste equazioni producono i valori mostrati nello schema. I materiali necessari per questo filtro sono tre amplificatori operazionali LM741, tre resistori da 1k ohm, due resistori da 24,7 kohm e due resistori da 20 kohm.

Passaggio 3: filtro notch

La fase successiva è un filtro notch per eliminare il rumore a 60 Hz. Questa frequenza deve essere tagliata perché c'è molto rumore extra a 60 Hz a causa dell'interferenza della linea elettrica, ma non eliminerà nulla di significativo dal segnale ECG. I valori per i componenti utilizzati nel circuito si basano sulla frequenza che si desidera filtrare, in questo caso 60 Hz (377 rad/s). Le equazioni dei componenti sono le seguenti

R1= 1/ (6032*C)

R2= 16 / (377*C)

R3 = (R1R2)/ (R1 + R2)

I materiali necessari per questo erano un amplificatore operazionale LM741, tre resistori con valori 1658 ohm, 424,4 kohm e 1651 ohm e 3 condensatori, due a 100 nF e uno a 200 nF.

Passaggio 4: filtro passa basso

Lo stadio finale è un filtro passa-basso Butterworth del secondo ordine con una frequenza di taglio di 250 Hz. Questa è la frequenza di taglio perché un segnale ECG varia solo fino a un massimo di 250 Hz. Le equazioni per i valori dei componenti nel filtro sono definite nelle seguenti equazioni:

R1 = 2/ (1571(1.4C2 + ordinamento(1.4^2 * C2^2 - 4C1C2)))

R2 = 1 / (1571*C1*C2*R1)

DO1 < (DO2 *1.4^2) / 4

I materiali necessari per questo filtro erano un amplificatore operazionale LM741, due resistori da 15,3 kohm e 25,6 kohm e due condensatori da 47 nF e 22 nF.

Una volta progettate e costruite tutte e tre le fasi, il circuito finale dovrebbe apparire come nella foto.

Passaggio 5: test del circuito

Dopo che il circuito è stato costruito, deve essere testato per assicurarsi che funzioni correttamente. È necessario eseguire una scansione CA su ciascun filtro utilizzando un segnale di ingresso cardiaco a 1 Hz da un generatore di tensione. La risposta in magnitudo in dB dovrebbe assomigliare alle immagini. Se i risultati della scansione CA sono corretti, il circuito è terminato e pronto per essere utilizzato. Se le risposte non sono corrette, è necessario eseguire il debug del circuito. Inizia controllando tutte le connessioni e gli ingressi di alimentazione per assicurarti che tutto abbia una buona connessione. Se questo non risolve il problema, utilizzare le equazioni per i componenti dei filtri per regolare i valori di resistenze e condensatori secondo necessità fino a quando l'uscita è dove dovrebbe essere.

Passaggio 6: creazione di una VUI in Labview

Labview è un software di acquisizione dati digitale che consente a un utente di progettare una VUI o un'interfaccia utente virtuale. Una scheda DAQ è un convertitore A/D in grado di convertire e trasmettere il segnale ECG in Labview. Utilizzando questo software, il segnale ECG può essere tracciato su un grafico dell'ampiezza rispetto al tempo per leggere chiaramente il segnale e quindi convertire il segnale in un battito cardiaco in BPM. La prima cosa necessaria per questo è una scheda DAQ che acquisisce i dati e li converte in un segnale digitale da inviare a Labview sul computer. La prima cosa che doveva essere aggiunta al progetto di Labview era DAQ Assistant, che acquisisce il segnale dalla scheda DAQ e definisce i parametri di campionamento. Il passaggio successivo consiste nel collegare un grafico della forma d'onda all'uscita dell'assistente DAQ sul design VUI che traccia il segnale ECG che mostra la forma d'onda ECG. Ora che il grafico della forma d'onda è completo, anche i dati devono essere convertiti per produrre un output numerico della frequenza cardiaca. Il primo passo in questo calcolo è stato trovare il massimo dei dati ECG collegando l'elemento max/min all'uscita dei dati DAQ nella VUI, quindi inviandolo a un altro elemento chiamato rilevamento del picco e a un elemento che avrebbe trovato il variazione di tempo denominata dt. L'elemento di rilevamento del picco necessitava anche di una soglia dal max/min che è stata calcolata prendendo il massimo dall'elemento max min e moltiplicandolo per 0,8, per trovare l'80% del valore massimo, quindi immesso nell'elemento di rilevamento del picco. Questa soglia ha permesso all'elemento di rilevamento del picco di trovare il massimo dell'onda R e la posizione in cui si è verificato il massimo ignorando gli altri picchi del segnale. Le posizioni dei picchi sono state quindi inviate a un elemento dell'array indice aggiunto successivamente sulla VUI. L'elemento dell'array dell'indice è stato impostato per essere memorizzato sull'array con un indice che inizia da 0, e poi un altro che inizia con un indice di 1. Quindi, questi sono stati sottratti l'uno dall'altro per trovare la differenza delle due posizioni dei picchi, che corrisponde al numero di punti tra ogni picco. Il numero di punti moltiplicato per la differenza di tempo tra ciascun punto fornisce il tempo necessario affinché ogni battito si verifichi. Ciò è stato ottenuto moltiplicando l'output dall'elemento dt e l'output dalla sottrazione dei due array. Questo numero è stato quindi diviso per 60, per trovare i battiti al minuto, e quindi emesso utilizzando un elemento indicatore numerico sulla VUI. La configurazione del progetto VUI in Labview è mostrata nella Figura.

Passaggio 7: metti tutto insieme

Una volta terminata la VUI su Labview, il passaggio finale consiste nel collegare il circuito alla scheda DAQ, in modo che il segnale attraversi il circuito, nella scheda, quindi in Labview. Se tutto funziona correttamente, un segnale da 1 Hz dovrebbe produrre la forma d'onda mostrata in figura e un battito cardiaco di 60 battiti al minuto. Ora hai un ECG funzionante e un monitor digitale della frequenza cardiaca.