Circuito de recolección de ECG: 5 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 utiliza este circuito para mediciones de ECG reales, asegúrese de que el circuito y las conexiones de circuito a instrumento estén utilizando técnicas de aislamiento adecuadas

Quizás la medida fisiológica más extendida en la industria de la salud actual es el electrocardiograma (ECG / EKG). Es difícil caminar por un hospital o una sala de emergencias sin escuchar el tradicional "bip" de un monitor de frecuencia cardíaca o ver la forma de onda del ECG rodando por la pantalla en la habitación de un paciente. Pero, ¿cuál es esta medida que se ha asociado tanto con la atención médica moderna?

El electrocardiograma a menudo se confunde con el registro de la actividad física del corazón; sin embargo, como sugiere el nombre, en realidad es un registro de la actividad eléctrica, la despolarización y repolarización de los músculos del corazón. Al analizar la forma de onda registrada, los médicos pueden obtener información sobre el comportamiento del sistema eléctrico del corazón. Algunos diagnósticos comunes hechos a partir de datos de ECG incluyen: infarto de miocardio, embolia pulmonar, arritmias y bloqueos AV.

El siguiente Instructable describirá el proceso y los principios utilizados para construir un circuito eléctrico básico que sea capaz de recolectar un ECG con el uso de electrodos de superficie simples como se hace en los hospitales.

Paso 1: Diseñe un amplificador de instrumentación

El primer elemento de circuito necesario para registrar la señal de ECG es un amplificador de instrumentación. Este amplificador tiene dos efectos.

1. Crea un búfer electrónico entre los electrodos de grabación y el resto del circuito. Esto reduce el consumo de corriente requerido de los electrodos a prácticamente cero. Permitiendo la recolección de señales con muy poca distorsión causada por la impedancia de entrada.

2. Amplifica diferencialmente la señal grabada. Eso significa que cualquier señal común en ambos electrodos de grabación no será amplificada, mientras que las diferencias (las partes importantes) sí lo serán.

Normalmente, los registros de electrodos de superficie para un ECG estarán en el rango de milivoltios. Por lo tanto, para obtener esta señal en un rango podemos trabajar con una amplificación (K) de 1000 V / V será apropiada.

Las ecuaciones que rigen para el amplificador ilustrado anteriormente son:

K1 = 1 + 2 * R2 / R1, esta es la ganancia de la etapa 1

K2 = - R4 / R3, esta es la ganancia de la etapa 2

Tenga en cuenta que, idealmente, K1 y K2 deberían ser aproximadamente iguales y para lograr la amplificación deseada K1 * K2 = 1000

Los valores finales utilizados en nuestro circuito fueron….

R1 = 6,5 kOhmios

R2 = 100 kOhmios

R3 = 3,17 kOhmios

R4 = 100 kOhmios

Paso 2: diseño de un filtro de muesca

En el mundo moderno, es probable que la recopilación del ECG se realice cerca de otros dispositivos electrónicos, o incluso en un edificio que reciba electricidad de las líneas eléctricas locales. Desafortunadamente, la naturaleza de alto voltaje y oscilante de la energía proporcionada significa que producirá una gran cantidad de "ruido" eléctrico en prácticamente cualquier material conductor que esté cerca de él; esto incluye los cables y elementos del circuito utilizados para construir nuestro circuito de recolección de ECG.

Para combatir esto, cualquier señal con una frecuencia igual a la del ruido generado por la fuente de alimentación local (llamado zumbido de la red) puede simplemente filtrarse y esencialmente eliminarse. En los Estados Unidos, la red eléctrica suministra 110-120 V con una frecuencia de 60 Hz. Por lo tanto, necesitamos filtrar cualquier componente de señal con una frecuencia de 60 Hz. Afortunadamente, esto se ha hecho muchas veces antes y solo requiere el diseño de un filtro de muesca (en la imagen de arriba).

Las ecuaciones que gobiernan este filtro son….

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

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

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

Q = w / B

donde wc2 es la frecuencia de corte alta, w2 la frecuencia de corte baja, w la frecuencia de corte en rad / seg, y Q un factor de calidad

Tenga en cuenta que C es un valor que se puede elegir libremente. Los siguientes valores utilizados en nuestro circuito fueron:

R1 = 1,65 kOhmios

R2 = 424,5 kOhmios

Q = 8

w = 120 * pi rad / seg

Paso 3: filtro de paso bajo

Las señales de ECG tienen una frecuencia de entre 0 y 150 Hz. Para evitar que se acople más ruido a la señal de cosas con una frecuencia más alta que este rango, se implementó un filtro ButterWorth de paso bajo de segundo orden con un corte de 150Hz para permitir que solo la señal de ECG pase a través del circuito. En lugar de elegir inmediatamente un valor de capacitor fácilmente disponible, como los componentes anteriores, se eligió el primer valor de capacitor, C2, según la fórmula que se encuentra a continuación. A partir de ese valor, todos los demás valores de los componentes se podrían calcular y luego agregar al circuito mientras se mantiene la ganancia nuevamente en 1V / V.

C2 ≈ 10 / fc uf, donde fc es la frecuencia de corte (150 Hz para este caso).

Luego, los valores restantes se pueden calcular como se muestra en la tabla incluida como la segunda imagen en este paso.

Los valores finales que se solían colocar en el esquema anterior son:

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22,47 kOhmios

R2 = 22,56 kOhmios

Paso 4: Preparación de LabVIEW

El único material requerido para esta sección de la colección de ECG es una computadora con Windows equipada con una copia de LabVIEW de 64 bits y una Tarjeta de Acondicionamiento de Señal de National Instruments () con un solo módulo de entrada. El diagrama de bloques funcional dentro de LabVIEW debe entonces construirse de la siguiente manera. Comience abriendo un diagrama de bloques funcional en blanco.

Inserte un bloque DAQ Assistant y ajuste la configuración a lo siguiente:

Medida: Analógica → Voltaje

Modo: RSE

Muestreo: muestreo continuo

Muestras recolectadas: 2500

Frecuencia de muestreo: 1000 / seg.

Envíe la forma de onda recopilada a un gráfico de forma de onda. Además, calcule el valor máximo de los datos de la forma de onda actual. Multiplique el valor máximo de la onda por un valor como.8 para crear un umbral para la detección de picos; este valor se puede ajustar en función del nivel de ruido dentro de la señal. Introduzca el producto del paso anterior como umbral y la matriz de voltaje sin procesar como datos para la función "Detección de picos". A continuación, tome la salida de "Ubicación" de la matriz de detección de picos y reste los valores primero y segundo. Esto representa la diferencia en los valores de índice de los dos picos en la matriz inicial. Luego, esto se puede convertir en una diferencia de tiempo dividiendo el valor por la frecuencia de muestreo, para el caso de ejemplo, esto es 1000 / seg. Finalmente, tome el inverso de este valor (dando Hz) y multiplíquelo por 60 para obtener la frecuencia cardíaca en latidos por minuto BPM. El diagrama de bloques final para esto debería parecerse a la imagen del encabezado de este paso.

Paso 5: Integración del sistema completo

Ahora que todos los componentes se han construido individualmente, es hora de armar el centro comercial. Esto se puede hacer simplemente conectando la salida de una sección a la entrada del siguiente segmento. Las etapas deben cablearse en el mismo orden en que aparecen en este Instructable. Para la última etapa, el filtro ButterWorth, su entrada debe conectarse a uno de los dos cables en el módulo de entrada de la placa de acondicionamiento de señal. El otro cable de este módulo debe conectarse a la tierra común de los circuitos.

Para el amplificador de instrumentación, sus dos cables deben conectarse cada uno a un electrodo de ECG / EKG. Esto se hace fácilmente con el uso de dos pinzas de cocodrilo. Luego, coloque un electrodo en cada muñeca. Asegúrese de que todos los segmentos del circuito estén conectados y que el VI de LabVIEW se esté ejecutando y que el sistema debería estar generando un gráfico de forma de onda en la ventana de LabVIEW.

La salida debe verse similar a la segunda imagen proporcionada en este paso. Si no es similar, es posible que sea necesario ajustar los valores de su circuito. Un problema común es que el filtro de muesca no se centrará directamente a 60 Hz y puede ser ligeramente alto / bajo. Esto se puede probar creando un diagrama de Bode para el filtro. Idealmente, el filtro de muesca tendrá al menos 20 dB de atenuación a 60 Hz. También puede resultar útil comprobar que la alimentación local se suministra a 60 Hz. No es raro que algunas áreas tengan suministros de CA de 50 Hz, esto requeriría centrar el filtro de muesca alrededor de este valor.