ECG automatizado sencillo (1 amplificador, 2 filtros): 7 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Un electrocardiograma (ECG) mide y muestra la actividad eléctrica del corazón usando diferentes electrodos colocados en la piel. Se puede crear un ECG utilizando un amplificador de instrumentación, un filtro de muesca y un filtro de paso bajo. Por último, la señal filtrada y amplificada se puede visualizar mediante el software LabView. LabView también utiliza la frecuencia de entrada de la señal para calcular los latidos del corazón del sujeto humano. El amplificador de instrumentación construido tuvo éxito al tomar la pequeña señal del cuerpo y amplificarla a 1 V, por lo que se pudo ver en la computadora usando LabView. Los filtros de muesca y de paso bajo lograron reducir el ruido de 60 Hz de las fuentes de alimentación y las señales de interferencia por encima de 350 Hz. El latido del corazón en reposo se midió en 75 lpm y 137 lpm después de cinco minutos de ejercicio intenso. El ECG construido fue capaz de medir los latidos del corazón a valores realistas y visualizar los diferentes componentes de una forma de onda de ECG típica. En el futuro, este ECG podría mejorarse alterando los valores pasivos en el filtro de muesca para reducir más ruido alrededor de 60 Hz.

Paso 1: cree el amplificador de instrumentación

Necesitará: LTSpice (u otro software de visualización de circuitos)

El amplificador de instrumentación fue creado para aumentar el tamaño de la señal para que sea visible y permita el análisis de la forma de onda.

Al usar R1 = 3.3k ohmios, R2 = 33k ohmios, R3 = 1k ohmios, R4 = 48 ohmios se logra una ganancia de X. Ganancia = - R4 / R3 (1 + R2 / R1) = -47k / 1k (1- (33k / 3.3k)) = -1008

Debido a que en el amplificador operacional final la señal entra en el pin inversor, la ganancia es 1008. Este diseño se creó en LTSpice y luego se simuló con un barrido de CA de 1 a 1 kHz con 100 puntos por década para una entrada de onda sinusoidal con una amplitud de CA de 1 V.

Verificamos que nuestra ganancia fuera una ganancia intencionada similar. A partir del gráfico, encontramos Gain = 10 ^ (60/20) = 1000, que está lo suficientemente cerca de nuestra ganancia prevista de 1008.

Paso 2: cree el filtro de muesca

Necesitará: LTSpice (u otro software de visualización de circuitos)

Un filtro de muesca es un tipo específico de filtro de paso bajo seguido de un filtro de paso alto para eliminar una frecuencia específica. Se utiliza un filtro de muesca para eliminar el ruido producido por todos los dispositivos electrónicos que está presente a 60Hz.

Los valores pasivos se calcularon: C =.1 uF (se eligió el valor) 2C =.2 uF (condensador de.22 uF usado)

Se utilizará un factor Q de 8: R1 = 1 / (2 * Q * 2 * pi * f * C) = 1 / (2 * 8 * 2 * 3,14159 * 60 *.1E-6) = 1,66 kOhm (1,8 kOhm se utilizó) R2 = 2Q / (2 * pi * f * C) = (2 * 8) / (60 Hz * 2 * 3.14159 *.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm fue utilizado) División de voltaje: Rf = R1 * R2 / (R1 + R2) = 1.8 kOhm * 423 kOhm / (1.8 kOhm + 423 kOhm) = 1.79 kOhm (se utilizó 1.8 kOhm)

Este diseño de filtro tiene una ganancia de 1, lo que significa que no hay propiedades amplificadoras.

Al conectar los valores pasivos y simular en LTSpice con un barrido de CA y una señal de entrada de onda sinusoidal de 0,1 V con una frecuencia de CA de 1 kHz, se obtiene el diagrama de bode adjunto.

A una frecuencia de alrededor de 60 Hz, la señal alcanza su voltaje más bajo. El filtro logra eliminar el ruido de 60 Hz a un voltaje imperceptible de 0.01 V y proporciona una ganancia de 1, ya que el voltaje de entrada es de.1 V.

Paso 3: crea el filtro de paso bajo

Necesitará: LTSpice (u otro software de visualización de circuitos)

Se creó un filtro de paso bajo para eliminar las señales por encima del umbral de interés que contendrían la señal de ECG. El umbral de interés estuvo entre 0 - 350Hz.

El valor del condensador se eligió para ser 0,1 uF. La resistencia necesaria se calcula para una frecuencia de corte alta de 335 Hz: C = 0,1 uF R = 1 / (2pi * 0,1 * (10 ^ -6) * 335 Hz) = 4,75 kOhm (se utilizó 4,7 kOhm)

Al conectar los valores pasivos y simular en LTSpice con un barrido de CA y una señal de entrada de onda sinusoidal de 0,1 V con una frecuencia de CA de 1 kHz, se obtiene el diagrama de bode adjunto.

Paso 4: crea el circuito en una placa de pruebas

Necesitará: resistencias de diferentes valores, condensadores de diferentes valores, amplificadores operacionales UA 471, cables de puente, una placa de prueba, cables de conexión, una fuente de alimentación o una batería de 9 V

Ahora que ha simulado su circuito, es hora de construirlo en una placa de pruebas. Si no tiene los valores exactos en la lista, use lo que tiene o combine resistencias y capacitores para obtener los valores que necesita. Recuerde alimentar su placa de pruebas con una batería de 9 voltios o una fuente de alimentación de CC. Cada amplificador operacional necesita una fuente de voltaje positiva y negativa.

Paso 5: Configurar el entorno de LabView

Necesitará: software LabView, una computadora

Para automatizar la visualización de la forma de onda y el cálculo de la frecuencia cardíaca, se utilizó LabView. LabView es un programa que se utiliza para visualizar y analizar datos. La salida del circuito de ECG es la entrada para LabView. Los datos se ingresan, grafican y analizan según el diagrama de bloques diseñado a continuación.

Primero, el DAQ Assistant toma la señal analógica del circuito. Las instrucciones de muestreo se configuran aquí. La frecuencia de muestreo fue de 1k muestras por segundo y el intervalo fue de 3k ms, por lo tanto, el intervalo de tiempo que se ve en el gráfico de forma de onda es de 3 segundos. El gráfico de forma de onda recibió datos del DAQ Assistant y luego los trazó en la ventana del panel frontal. La sección inferior del diagrama de bloques abarca el cálculo de la frecuencia cardíaca. Primero se miden el máximo y el mínimo de la onda. Luego, estas medidas de amplitud se utilizan para determinar si se están produciendo picos que se definen como el 95% de la amplitud máxima y, de ser así, se registra el punto de tiempo. Una vez que se detectan los picos, la amplitud y el punto de tiempo se almacenan en matrices. Luego, el número de picos / segundos se convierte en minutos y se muestra en el panel frontal. El panel frontal muestra la forma de onda y los latidos por minuto.

El circuito se conectó a LabVIEW a través de un ADC de National Instruments como se muestra en la figura anterior. El generador de funciones produjo la señal de ECG simulada que se ingresó en el ADC que transfirió los datos a LabView para su representación gráfica y análisis. Además, una vez que se calculó el BPM en LabVIEW, se usó el indicador numérico para imprimir ese valor en el panel frontal de la aplicación junto al gráfico de forma de onda, como se ve en la figura 2.

Paso 6: Pruebe el circuito con el generador de funciones

Necesitará: circuito en placa, cables de conexión, una fuente de alimentación o batería de 9 V, ADC de National Instruments, software LabView, una computadora

Para probar la instrumentación de LabView, se introdujo un ECG simulado en el circuito y la salida del circuito se conectó a LabView a través del ADC de National Instruments. Primero se introdujo una señal de 20 mVpp a 1 Hz en el circuito para simular el latido del corazón en reposo. El panel frontal de LabView se muestra en la siguiente imagen. Las ondas P, T, U y el complejo QRS son visibles. El BMP se calcula correctamente y se muestra en el indicador numérico. Hay una ganancia de aproximadamente 8 V / 0.02 V = 400 a través del circuito que es similar a lo que vimos cuando el circuito estaba conectado al osciloscopio. Se adjunta una imagen del resultado en LabView. A continuación, para simular un latido cardíaco elevado, por ejemplo, durante el ejercicio, se introdujo en el circuito una señal de 20 mVpp a 2 Hz. Hubo una ganancia comparable a la prueba en la frecuencia cardíaca en reposo. Debajo de la forma de onda se ve que tiene todas las mismas partes que antes, pero a un ritmo más rápido. La frecuencia cardíaca se calcula y se muestra en el indicador numérico y vemos los 120 BPM esperados.

Paso 7: Probar el circuito con un sujeto humano

Necesitará: circuito en placa, cables de conexión, una fuente de alimentación o batería de 9 V, ADC de National Instruments, software LabView, una computadora, electrodos (al menos tres), un sujeto humano

Por último, el circuito se estaba probando con la entrada de cables de ECG de un sujeto humano en el circuito y la salida del circuito que entraba en LabView. Se colocaron tres electrodos en un sujeto para obtener una señal real. Se colocaron electrodos en ambas muñecas y en el tobillo derecho. La muñeca derecha fue la entrada positiva, la muñeca izquierda fue negativa y el tobillo fue rectificado. Nuevamente, los datos se ingresaron en LabView para su procesamiento. La configuración del electrodo se adjunta como una imagen.

Primero, se mostró y analizó la señal de ECG en reposo del sujeto. En reposo, el sujeto tenía una frecuencia cardíaca de aproximadamente 75 lpm. Luego, el sujeto participó en una intensa actividad física durante 5 minutos. Se volvió a conectar al sujeto y se grabó la señal elevada. La frecuencia cardíaca fue de aproximadamente 137 lpm después de la actividad. Esta señal era más pequeña y tenía más ruido. Se colocaron electrodos en ambas muñecas y en el tobillo derecho. La muñeca derecha fue la entrada positiva, la muñeca izquierda fue negativa y el tobillo fue rectificado. Nuevamente, los datos se ingresaron en LabView para su procesamiento.

Una persona promedio tiene una señal de ECG de aproximadamente 1 mV. Nuestra ganancia esperada era de aproximadamente 1000, por lo tanto, esperaríamos un voltaje de salida de 1V. A partir de la grabación en reposo que se ve en la imagen XX, la amplitud del complejo QRS es aproximadamente (-0,7) - (-1,6) = 0,9 V. Esto produce un error del 10%. (1-0.9) / 1 * 100 = 10% La frecuencia cardíaca en reposo de un humano estándar es 60, la medida fue de 75, esto produce | 60-75 | * 100/60 = 25% de error. La frecuencia cardíaca elevada de un humano estándar es 120, la medida fue aproximadamente 137, esto produce | 120-137 | * 100/120 = 15% de error.

¡Felicitaciones! Ahora ha creado su propio ECG automatizado.