Circuito ECG simple y programa de frecuencia cardíaca de LabVIEW: 6 pasos

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

Un electrocardiograma, o también denominado ECG, es un sistema de diagnóstico y monitorización extremadamente potente que se utiliza en todas las prácticas médicas. Los ECG se utilizan para observar la actividad eléctrica del corazón de forma gráfica para comprobar si hay anomalías en la frecuencia cardíaca o en las señales eléctricas.

A partir de una lectura de ECG, la frecuencia cardíaca de los pacientes se puede determinar mediante el intervalo de tiempo entre los complejos QRS. Además, se pueden detectar otras afecciones médicas, como un ataque cardíaco pendiente, mediante una elevación del segmento ST. Lecturas como esta pueden ser cruciales para diagnosticar y tratar adecuadamente a un paciente. La onda P muestra la contracción de la aurícula del corazón, la curva QRS es la contracción ventricular y la onda T es la repolarización del corazón. Conocer incluso información simple como esta puede diagnosticar rápidamente a los pacientes con una función cardíaca anormal.

Un ECG estándar utilizado en la práctica médica tiene siete electrodos que se colocan en un patrón semicircular leve alrededor de la región inferior del corazón. Esta colocación de electrodos permite un ruido mínimo al grabar y también permite mediciones más consistentes. Para nuestro propósito del circuito de ECG creado, solo usaremos tres electrodos. El electrodo de entrada positivo se colocará en la muñeca interna derecha, el electrodo de entrada negativo se colocará en la muñeca interna izquierda y el electrodo de tierra se conectará al tobillo. Esto permitirá que se tomen lecturas a través del corazón con relativa precisión. Con esta ubicación de electrodos conectados a un amplificador de instrumentación, un filtro de paso bajo y un filtro de muesca, las formas de onda de ECG deberían poder distinguirse fácilmente como una señal de salida del circuito creado.

NOTA: 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

Paso 1: Construya el amplificador de instrumentación

Para construir una instrumentación multietapa con una ganancia de 1000 o 60 dB, se debe aplicar la siguiente ecuación.

Ganancia = (1 + 2 * R1 / Rgain)

R1 es igual a todas las resistencias utilizadas en el amplificador de instrumentación, aparte de la resistencia de ganancia, que en cierto sentido hará que toda la ganancia esté involucrada en la primera etapa del amplificador. Se eligió 50,3 kΩ. Para calcular la resistencia de ganancia, este valor se conecta a la ecuación anterior.

1000 = (1 + 2 * 50300 / Rgain)

Ganancia = 100,7

Después de calcular este valor, el amplificador de instrumentación se puede construir como el siguiente circuito que se muestra en este paso. Los OP / AMP deben alimentarse con 15 voltios positivos y negativos como se muestra en el diagrama del circuito. Los condensadores de derivación para cada OP / AMP deben colocarse cerca del OP / AMP en serie con la fuente de alimentación para amortiguar cualquier señal de CA proveniente de la fuente de alimentación a tierra para evitar que los OP / AMP se fríen y cualquier ruido adicional que pueda contribuir a la señal. Además, para probar la ganancia real de los circuitos, el nodo del electrodo positivo debe recibir una onda sinusoidal de entrada y el nodo del electrodo negativo debe conectarse a tierra. Esto permitirá que la ganancia del circuito se vea con precisión con una señal de entrada de menos de 15 mV pico a pico.

Paso 2: Construya el filtro de paso bajo de segundo orden

Se utilizó un filtro de paso bajo de segundo orden para eliminar el ruido por encima de la frecuencia de interés para la señal de ECG que era de 150 Hz.

El valor de K utilizado en los cálculos para el filtro de paso bajo de segundo orden es la ganancia. Debido a que no queremos ninguna ganancia en nuestro filtro, elegimos un valor de ganancia de 1, lo que significa que el voltaje de entrada será igual al voltaje de salida.

K = 1

Para un filtro Butterworth de segundo orden que se utilizará para este circuito, los coeficientes ayb se definen a continuación. a = 1,414214 b = 1

Primero, el segundo valor del capacitor se elige para que sea un capacitor relativamente grande que esté disponible en el laboratorio y en el mundo real.

C2 = 0,1 F

Para calcular el primer condensador, se utilizan las siguientes relaciones entre este y el segundo condensador. Los coeficientes K, ayb se introdujeron en la ecuación para calcular cuál debería ser este valor.

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

C1 <= (0,1 * 10 ^ -6 [1,414214 ^ 2 + 4 * 1 (1-1)] / 4 * 1

C1 <= 50 nF

Debido a que se calcula que el primer condensador es menor o igual a 50 nF, se eligió el siguiente valor de condensador.

C1 = 33 nF

Para calcular la primera resistencia necesaria para este filtro de paso bajo de segundo orden con una frecuencia de corte de 150 Hz, se resolvió la siguiente ecuación utilizando los valores calculados del condensador y los coeficientes K, ay b. R1 = 2 / [(frecuencia de corte) * [aC2 * sqrt ([(a ^ 2 + 4b (K-1)) C2 ^ 2-4bC1C2])]

R1 = 9478 ohmios

Para calcular la segunda resistencia, se utilizó la siguiente ecuación. La frecuencia de corte nuevamente es 150 Hz y el coeficiente b es 1.

R2 = 1 / [bC1C2R1 (frecuencia de corte) ^ 2]

R2 = 35,99 kOhm Después de calcular los valores anteriores para las resistencias y los condensadores necesarios para un filtro de muesca de segundo orden, se creó el siguiente circuito para mostrar el filtro de paso bajo activo que se utilizará. El OP / AMP se alimenta con 15 voltios positivos y negativos como se muestra en el diagrama. Los condensadores de derivación están conectados a las fuentes de alimentación para que cualquier señal de CA que salga de la fuente se desvíe a tierra para garantizar que el OP / AMP no se queme con esta señal. Para probar esta etapa del circuito de ECG, el nodo de la señal de entrada debe conectarse a una onda sinusoidal y debe realizarse un barrido de CA de 1 Hz a 200 Hz para ver cómo funciona el filtro.

Paso 3: construya el filtro de muesca

El filtro de muesca es una parte extremadamente importante de muchos circuitos para medir señales de baja frecuencia. A bajas frecuencias, el ruido de CA de 60 Hz es extremadamente común, ya que es la frecuencia de la corriente CA que atraviesa los edificios en los Estados Unidos. Ese ruido de 60 Hz es inconveniente ya que está en el medio de la banda de paso para el ECG, pero un filtro de muesca puede eliminar frecuencias específicas mientras conserva el resto de la señal. Al diseñar este filtro de muesca, es muy importante tener un factor de alta calidad, Q, para garantizar que la caída del corte sea nítida alrededor del punto de interés. A continuación, se detallan los cálculos utilizados para construir un filtro de muesca activo que se utilizará en el circuito de ECG.

Primero, la frecuencia de interés, 60 Hz, debe convertirse de Hz a rad / s.

frecuencia = 2 * pi * frecuencia

frecuencia = 376,99 rad / segundo

A continuación, se debe calcular el ancho de banda de las frecuencias cortadas. Estos valores se determinan de manera que se asegure que la frecuencia principal de interés, 60 Hz, esté completamente cortada y que solo unas pocas frecuencias circundantes se vean ligeramente afectadas.

Ancho de banda = Cutoff2-Cutoff1

Ancho de banda = 37,699 El factor de calidad debe determinarse a continuación. El factor de calidad determina qué tan nítida es la muesca y qué tan estrecho comienza el corte. Esto se calcula utilizando el ancho de banda y la frecuencia de interés. Q = frecuencia / ancho de banda

Q = 10

Se elige un valor de condensador fácilmente disponible para este filtro. El condensador no necesita ser grande y definitivamente no debe ser demasiado pequeño.

C = 100 nF

Para calcular el primer resistor utilizado en este filtro de muesca activo, se utilizó la siguiente relación que incluye el factor de calidad, la frecuencia de interés y el condensador elegido.

R1 = 1 / [2QC * frecuencia]

R1 = 1326,29 ohmios

La segunda resistencia utilizada en este filtro se calcula utilizando la siguiente relación.

R2 = 2Q / [frecuencia * C]

R2 = 530516 ohmios

La resistencia final para este filtro se calcula utilizando los dos valores de resistencia anteriores. Se espera que sea muy similar a la primera resistencia calculada.

R3 = R1 * R2 / [R1 + R2]

R3 = 1323 ohmios

Después de calcular todos los valores de los componentes utilizando las ecuaciones descritas anteriormente, se debe construir el siguiente filtro de muesca para filtrar con precisión el ruido de CA de 60 Hz que interrumpirá la señal de ECG. El OP / AMP debe alimentarse con 15 voltios positivos y negativos como se muestra en el circuito a continuación. Los condensadores de derivación se conectan desde las fuentes de alimentación en el OP / AMP para que cualquier señal de CA que provenga de la fuente de alimentación se desvíe a tierra para garantizar que el OP / AMP no se fríe. Para probar esta parte del circuito, la señal de entrada debe conectarse a una onda sinusoidal y debe realizarse un barrido de CA de 40 Hz a 80 Hz para ver el filtrado de la señal de 60 Hz.

Paso 4: Cree un programa de LabVIEW para calcular la frecuencia cardíaca

LabVIEW es una herramienta útil para ejecutar instrumentos y también para recopilar datos. Para recopilar datos de ECG, se utiliza una placa DAQ que leerá los voltajes de entrada a una frecuencia de muestreo de 1 kHz. Estos voltajes de entrada se envían luego a un gráfico que se utiliza para mostrar el registro de ECG. Los datos que se recopilan luego pasan por un buscador de máximos que genera los valores máximos leídos. Estos valores permiten calcular un umbral de pico al 98% de la salida máxima. Después, se usa un detector de picos para determinar cuándo los datos son mayores que ese umbral. Estos datos, junto con el tiempo entre picos, se pueden utilizar para determinar la frecuencia cardíaca. Este simple cálculo determinará con precisión la frecuencia cardíaca a partir de los voltajes de entrada leídos por la placa DAQ.

Paso 5: ¡Prueba

Después de construir sus circuitos, ¡está listo para ponerlos a trabajar! Primero, cada etapa debe probarse con un barrido de CA de frecuencias de 0.05 Hz a 200 Hz. El voltaje de entrada no debe ser mayor de 15 mV pico a pico para que la señal no se vea afectada por las limitaciones de OP / AMP. A continuación, conecte todos los circuitos y vuelva a ejecutar un barrido de CA completo para asegurarse de que todo funcione correctamente. Una vez que esté satisfecho con la salida de su circuito completo, es hora de conectarse a él. Coloque el electrodo positivo en su muñeca derecha y el electrodo negativo en su muñeca izquierda. Coloque el electrodo de tierra en su tobillo. Conecte la salida del circuito completo a su placa DAQ y ejecute el programa LabVIEW. Su señal de ECG ahora debería ser visible en el gráfico de forma de onda en la computadora. Si no lo está o está distorsionado, intente reducir la ganancia del circuito a aproximadamente 10 cambiando la resistencia de ganancia en consecuencia. Esto debería permitir que el programa LabVIEW lea la señal.