Circuito de registro de ECG simple y monitor de frecuencia cardíaca de LabVIEW: 5 pasos

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

Esto no es un dispositivo médico. Esto es para fines educativos utilizando únicamente señales simuladas. Si usa 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

Uno de los aspectos más fundamentales de la atención médica moderna es la capacidad de capturar una onda cardíaca mediante un ECG o un electrocardiograma. Esta técnica utiliza electrodos de superficie para medir los diversos patrones eléctricos emitidos por el corazón, de modo que la salida se pueda utilizar como una herramienta de diagnóstico para diagnosticar afecciones cardíacas y pulmonares, como diversas formas de taquicardia, bloqueo de rama e hipertrofia. Para diagnosticar estas condiciones, la forma de onda de salida se compara con una señal de ECG normal.

Para crear un sistema que pueda obtener la forma de onda de ECG, la señal primero debe amplificarse y luego filtrarse adecuadamente para eliminar el ruido. Para hacer esto, se puede construir un circuito de tres etapas usando amplificadores OP.

Este Instructable proporcionará la información necesaria para diseñar y luego construir un circuito simple capaz de registrar una señal de ECG usando electrodos de superficie y luego filtrar esa señal para su procesamiento y análisis adicional. Además, este Instructable describirá una técnica utilizada para analizar esa señal con el fin de crear una representación gráfica de la salida del circuito, así como un método para calcular la frecuencia cardíaca a partir de la salida del circuito de forma de onda de ECG.

Nota: al diseñar cada etapa, asegúrese de realizar barridos de CA de forma experimental y mediante simulaciones para garantizar el comportamiento deseado del circuito.

Paso 1: diseñar y construir el amplificador de instrumentación

La primera etapa de este circuito de ECG es un amplificador de instrumentación, que consta de tres amplificadores OP. Los primeros dos amplificadores OP son entradas con búfer, que luego se alimentan a un tercer amplificador OP que funciona como un amplificador diferencial. Las señales del cuerpo deben almacenarse en búfer o, de lo contrario, la salida disminuirá ya que el cuerpo no puede proporcionar mucha corriente. El amplificador diferencial toma la diferencia entre las dos fuentes de entrada para proporcionar una diferencia de potencial medible, mientras que simultáneamente cancela el ruido común. Esta etapa también tiene una ganancia de 1000, amplificando el mV típico a un voltaje más legible.

La ganancia del circuito de 1000 para el amplificador de instrumentación se calcula mediante las ecuaciones que se muestran. La ganancia de la etapa 1 del amplificador de instrumentación se calcula mediante (2) y la ganancia de la etapa 2 del amplificador de instrumentación se calcula mediante (3). K1 y K2 se calcularon de modo que no se diferenciaran entre sí en más de un valor de 15.

Para una ganancia de 1000, K1 podría establecerse en 40 y K2 podría establecerse en 25. Todos los valores de resistencia se pueden calcular, pero este amplificador de instrumentación en particular utilizó los valores de resistencia a continuación:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

Paso 2: diseñar y construir el filtro de muesca

La siguiente etapa es un filtro de muesca para eliminar la señal de 60 Hz que proviene de la toma de corriente.

En el filtro de muesca, el valor de la resistencia de R1 se calcula con (4), el valor de R2 con (5) y el valor de R3 con (6). El factor de calidad del circuito, Q, se establece en 8 porque da un margen de error razonable y, al mismo tiempo, es realista de manera precisa. El valor Q se puede calcular mediante (7). La última ecuación que rige el filtro de muesca se utiliza para calcular el ancho de banda y se describe mediante (8). Además del factor de calidad de 8, el filtro de muesca tenía presentes otras especificaciones de diseño. Este filtro está diseñado para tener una ganancia de 1 para que no altere la señal, mientras que elimina la señal de 60 Hz.

De acuerdo con esas ecuaciones, R1 = 11.0524 kΩ, R2 = 2.829 MΩ, R3 = 11.009 kΩ y C1 = 15 nF

Paso 3: Diseñe y construya el filtro de paso bajo Butterworth de segundo orden

La etapa final es un filtro de paso bajo para eliminar todas las señales que pueden ocurrir por encima del componente de frecuencia más alta de una onda de ECG, como el ruido de WiFi y otras señales ambientales que pueden distraer la atención de la señal de interés. El punto de -3dB para esta etapa debe estar alrededor o cerca de 150 Hz, ya que el rango estándar de señales presentes en una onda de ECG varía de 0.05 Hz a 150 Hz.

Al diseñar el filtro Butterworth de segundo orden de paso bajo, el circuito se configura nuevamente para tener una ganancia de 1, lo que permitió un diseño de circuito más simple. Antes de realizar más cálculos, es importante tener en cuenta que la frecuencia de corte deseada del filtro de paso bajo se establece en 150 Hz. Es más fácil comenzar calculando el valor del condensador 2, C2, ya que otras ecuaciones dependen de este valor. C2 se puede calcular con (9). Partiendo del cálculo de C2, C1 se puede calcular mediante (10). En el caso de este filtro de paso bajo, los coeficientes ayb se definen donde a = 1.414214, yb = 1. El valor de resistencia de R1 se calcula mediante (11), y el valor de resistencia de R2 se calcula mediante (12).

Se utilizaron los siguientes valores:

R1 = 13,842 kΩ

R2 = 54,36 kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

Paso 4: Configure el programa LabVIEW utilizado para la adquisición y análisis de datos

A continuación, se puede utilizar el programa de computadora LabView para crear una tarea que creará una representación gráfica de un latido a partir de una señal de ECG y calculará la frecuencia cardíaca a partir de la misma señal. El programa LabView logra esto aceptando primero una entrada analógica de una placa DAQ, que también actúa como un convertidor analógico a digital. Luego, esta señal digital se analiza y se traza más a fondo, donde el gráfico muestra la representación gráfica de la señal que se ingresa en la placa DAQ. La forma de onda de la señal se analiza tomando el 80% de los valores máximos de la señal digital que se acepta, y luego utiliza una función de detector de picos para detectar estos picos de la señal. Simultáneamente, el programa toma la forma de onda y calcula la diferencia de tiempo entre los picos de la forma de onda. La detección de picos se combina con valores de acompañamiento de 1 o 0, donde 1 representa un pico para crear un índice de la ubicación de los picos, y este índice se usa luego junto con la diferencia de tiempo entre picos para calcular matemáticamente la frecuencia cardíaca en latidos por minuto (BPM). Se muestra el diagrama de bloques que se utilizó en el programa LabView.

Paso 5: Ensamblaje completo

Una vez que haya construido todos sus circuitos y el programa de LabVIEW y se haya asegurado de que todo funciona correctamente, estará listo para registrar una señal de ECG. En la imagen se muestra un posible esquema del conjunto del sistema de circuito completo.

Conecte el electrodo positivo a su muñeca derecha y una de las entradas del amplificador de instrumentación encerradas en un círculo, y el electrodo negativo a su muñeca izquierda y la otra entrada del amplificador de instrumentación como se muestra en la imagen. No importa el orden de entrada del electrodo. Finalmente, coloque un electrodo de tierra en su tobillo y conéctelo a tierra en su circuito. Felicitaciones, ha completado todos los pasos necesarios para registrar una señal de ECG.