Haga su propio electrocardiograma (ECG): 6 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:44

AVISO:

Este no es un dispositivo médico. Esto es solo para fines educativos, utilizando señales simuladas. Si usa este circuito para mediciones de ECG reales, asegúrese de que el circuito y las conexiones entre el circuito y el instrumento estén utilizando energía de la batería y otras técnicas de aislamiento adecuadas.

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Paso 1: conozca sus cosas

El electrocardiograma (ECG) es una herramienta importante que utilizan los médicos para controlar la actividad eléctrica del corazón. Es útil para capturar todo, desde ritmos cardíacos anormales hasta diagnosticar insuficiencia por calor. Al seguir este Instructable, podrá construir un dispositivo que muestre el electrocardiograma de una persona que use solo habilidades básicas de tablero de pruebas y equipo de laboratorio de electrónica general. Una vez que tenga una buena salida de señal, puede usar esta misma señal para calcular la frecuencia cardíaca u otra métrica interesante usando un microcontrolador.

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Si no sabe qué es un ECG, es simplemente un registro de la actividad del corazón. Debido a la naturaleza eléctrica de las contracciones del corazón, se puede registrar el cambio de voltaje colocando electrodos en la piel y procesando la señal. La gráfica de estos voltajes a lo largo del tiempo se llama electrocardiograma (ECG para abreviar). Los ECG se utilizan normalmente para diagnosticar diversas formas de insuficiencia cardíaca o controlar pasivamente el estrés del paciente. Un ECG saludable tiene características específicas que son universales entre los humanos. (Esto incluye una onda P, una onda Q, una onda R, una onda S, una onda T y un complejo QRS). He proporcionado un diagrama simplificado de un ECG con la correspondiente reacción del corazón.

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Tenga en cuenta que cada evento eléctrico que ocurre en los nervios del corazón corresponde a un evento físico que ocurre en consecuencia en el tejido muscular, y mientras una parte del corazón se contrae, las otras partes se relajan. De esta manera, la sincronización de las señales eléctricas es muy importante en el corazón, lo que hace que un ECG sea una herramienta muy poderosa para medir la salud del corazón.

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Sin embargo, para que podamos registrar un ECG real, entran en juego muchos problemas logísticos, como el tamaño de la señal, la cantidad de ruido que proviene del resto del cuerpo y la cantidad de ruido que proviene del entorno. Para compensar esto, estamos diseñando un circuito que estará compuesto por 3 partes: un amplificador diferencial para aumentar el tamaño de nuestra señal, un filtro de paso bajo para eliminar el ruido de las señales de alta frecuencia y un filtro notch para eliminar el ruido de 60 Hz que siempre está presente en edificios alimentados con corriente alterna. A continuación, le describiré detalladamente estos pasos.

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Paso 2: Reúna sus suministros

Para este proyecto necesitará:

- 1 tablero grande (aunque tener 2 o más será mejor)

- 5 amplificadores operacionales de propósito general

(Usé el UA741 con + -15 V, solo asegúrese de que los que elija puedan manejar 15 voltios, de lo contrario tendrá que ajustar los valores de sus componentes pasivos y tendrá que conformarse con menos amplificación)

resistencias

o 2x 165 ohmios

o 3x 1k ohmios

o 2x 15k ohmios

o 2x 33k ohmios

o 1x 42k ohmios

o 2x 60k ohmios

Condensadores

o 2x 22nF

o 2x 1μF

o 1x 2Μf

- Una plétora o cables de puente.

- Una fuente de voltaje CC capaz de proporcionar + -15 V

- Un generador de funciones y osciloscopio (principalmente para resolución de problemas)

- Al menos tres electrodos adhesivos si planea grabar un ECG real

- Suficientes cables para conectar todas estas tonterías.

- Una sólida comprensión de los circuitos, amplificadores operacionales y experiencia con el tablero de pruebas.

Si acaba de recibir una placa de pruebas para su cumpleaños y está buscando intentar hacer algo genial con ella, haga al menos algunas compilaciones más simples antes de probar esto.

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Paso 3: construya el amplificador diferencial

El amplificador diferencial es lo que amplificará nuestra señal grabada a un nivel utilizable para ser mostrada en un osciloscopio o una pantalla. Este diseño de circuito tomará la diferencia de voltaje de los dos electrodos de entrada y la amplificará. Esto se hace para reducir el ruido, ya que se eliminará el ruido común entre los electrodos. La señal de ECG variará en amplitud dependiendo de la ubicación de los electrodos de registro y del individuo, pero típicamente son del orden de unos pocos milivoltios cuando se registra desde las muñecas. (Si bien no es necesario para esta configuración, la amplitud de la señal se puede aumentar colocando electrodos en el pecho, pero la compensación es el ruido del movimiento pulmonar).

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He incluido un esquema de la configuración. El circuito en la imagen debería amplificar su señal ~ 1000 veces. Es posible que deba ajustar esto según el tipo de amplificador operacional que decidió usar. Una forma rápida de ajustar esto es cambiando el valor de R1. Al reducir el valor de R1 a la mitad, duplicará la ganancia de salida y viceversa.

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Supongo que la mayoría de ustedes puede traducir este circuito en la placa de pruebas, sin embargo, he incluido un diagrama de la configuración de la placa de pruebas para agilizar el proceso y, con suerte, reducir el tiempo de resolución de problemas. También he incluido una imagen del pinout UA741 (o LM741) para su conveniencia. (para sus propósitos, no necesitará los pines 1, 5 u 8) Los pines V + y V- del amplificador operacional se conectarán a su suministro de +15 V y -15 V respectivamente. -15V no es lo mismo que tierra. Puedes ignorar los condensadores de mi tablero. Son condensadores de derivación destinados a eliminar el ruido de CA, pero en retrospectiva no valieron la pena el esfuerzo.

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Recomiendo probar cada etapa a medida que la completa para solucionar problemas. Como muestra el circuito, puede conectar una de las entradas a tierra y la otra a una pequeña fuente de CC para verificar la amplificación. (asegúrese de ingresar <15 mV, de lo contrario saturará los amplificadores operacionales). Si necesita reducir su ganancia para las pruebas, no se preocupe, cualquier ganancia superior a 500 veces será suficiente para nuestros propósitos. Además, si construyó su circuito para tener una ganancia de 1000 y solo muestra una ganancia de 800, no es el fin del mundo, el número exacto no es crítico.

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Paso 4: construya el filtro de muesca

Ahora que podemos amplificar nuestra señal, veamos cómo limpiarla. Si conectara electrodos a nuestro circuito en este momento, probablemente tendría una tonelada de ruido de 60 Hz. Esto se debe a que la mayoría de los edificios están conectados con corriente alterna de 60 Hz, lo que provoca inevitablemente grandes señales de ruido. Para remediar esto, construiremos un filtro de muesca de 60 Hz. Un filtro de muesca está diseñado para atenuar frecuencias muy específicas y dejar intactas otras frecuencias; perfecto para deshacerse del ruido de 60 Hz.

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Como antes, he incluido una imagen del esquema del circuito, la configuración de la placa de pruebas y mi propio circuito. Como nota, si bien el filtro de muesca es una etapa relativamente fácil de construir, me tomó más tiempo ponerme a trabajar. Mi entrada se atenuó bien, pero a 63 Hz en lugar de 60 Hz, lo que no lo cortará. Si se encuentra con el mismo problema, le recomiendo que cambie su valor de R14. (El aumento de la resistencia de R14 reducirá su frecuencia de atenuación y viceversa). Si tiene una caja de resistencia variable, úsela para reemplazar R14, luego juegue con valores de resistencia para averiguar exactamente qué funciona mejor, ya que será sensible a cambios del orden de un solo ohmio. Terminé con un R14 de 175 ohmios, pero en teoría funciona mejor para igualar el R12.

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Nuevamente, puede probar esta etapa utilizando un generador de funciones para ingresar una onda sinusoidal de 60 Hz y registrar su salida en un osciloscopio. Su salida debe ser de aproximadamente -20 dB o 10% de la amplitud de la entrada. Como dije antes, puede verificar las frecuencias cercanas para optimizarlas.

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Paso 5: construya el filtro de paso bajo

Como se mencionó anteriormente, otro factor importante es reducir el ruido de su cuerpo y cualquier otra cosa que esté afectando la habitación en la que se encuentra. Un filtro de paso bajo es bueno para hacer esto porque, en lo que respecta a las señales, los latidos de su corazón son bastante lentos. Nuestro objetivo con el filtro de paso bajo es eliminar todas las señales que contienen frecuencias más altas que su ECG. Para hacer esto, necesitamos designar una "frecuencia de corte". En nuestro caso, todo lo que esté por encima de esta frecuencia lo queremos eliminar, y todo lo que esté por debajo de esta frecuencia lo queremos mantener. Mientras se produce un latido del orden de 1 a 3 Hertz, las formas de onda individuales que componen nuestro ECG están formadas por frecuencias mucho más altas que esta; cerca de 1 a 50 Hertz. Debido a esto, elegí una frecuencia de corte de 80 Hz. Es lo suficientemente alto como para mantener todos los componentes útiles en la señal, pero aún elimina el ruido de la radio HAM que tiene en la habitación contigua.

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No tengo ningún consejo sabio sobre el filtro de paso bajo, es muy simple en comparación con las otras etapas. De manera similar al amplificador, no se preocupe por obtener un corte preciso a 80 Hz; esto no es crucial y no sucederá de manera realista. No obstante, debe verificar su salida utilizando un generador de funciones. Como regla general, una onda sinusoidal debe atravesar el filtro intacta a 10 Hz y debe cortarse a la mitad en 130 Hz.

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Paso 6: ¡Conéctelo

Si has llegado hasta aquí, ¡felicidades! Tienes todos los componentes de un ECG. ¡Todo lo que necesita hacer es conectarlos, colocar los electrodos y conectar la salida al osciloscopio para ver su ECG!

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En caso de que no esté seguro de cómo colocarse los electrodos, le recomiendo que se pegue los electrodos de entrada en las muñecas (uno en cada muñeca) y conecte un electrodo de tierra a la pierna (la imagen puede ayudar). Como recordatorio, cada electrodo de entrada debe vaya una entrada positiva en los amplificadores operacionales en el amplificador. (Solo está conectado a tierra en el diagrama del circuito con fines de simulación)

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Una vez que esté conectado, conecte la salida del filtro de paso bajo a un osciloscopio y siéntase orgulloso de sí mismo. Haga que todos sus hijos vengan a ponerse electrodos y miren sus latidos cardíacos. Diablos, haz que tus vecinos vengan a probarlo. Si se siente más motivado, conecte la salida a un microcontrolador para calcular la frecuencia cardíaca a partir del sencillo. (Probablemente desee reducir la amplificación antes de hacer esto, puede freír la placa que está utilizando). Independientemente, ¡felicidades por la construcción y feliz creación!

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