Detector de frecuencia cardíaca y ECG simple: 10 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

Hoy, analizaremos el diseño del circuito básico de electrocardiografía (ECG) y crearemos un circuito para amplificar y filtrar la señal eléctrica de su corazón. Luego, podemos medir la frecuencia cardíaca usando el software labVIEW. A lo largo del proceso, daré instrucciones detalladas sobre los elementos del diseño de circuitos y por qué ocurrieron, así como un poco de experiencia en biología. La imagen del título es de la señal eléctrica de mi corazón. Al final de este instructivo, también podrá medir el suyo. ¡Empecemos!

El ECG es una herramienta de diagnóstico útil para los profesionales médicos. Se puede utilizar para diagnosticar una multitud de afecciones cardíacas, desde el ataque cardíaco básico (infarto de miocardio) hasta trastornos cardíacos más avanzados, como la fibrilación auricular, que las personas pueden pasar la mayor parte de su vida sin darse cuenta. Cada latido, su sistema nervioso autónomo está trabajando duro para hacer que su corazón lata. Envía señales eléctricas al corazón, que viajan desde el nodo SA al nodo AV, y luego a los ventrículos izquierdo y derecho de forma sincrónica, y finalmente desde el endocardio hasta el epicardio y las fibras de Purkinje, la última línea de defensa del corazón. Este circuito biológico complejo puede tener problemas en cualquier lugar a lo largo de su trayectoria, y el ECG se puede utilizar para diagnosticar estos problemas. Podría hablar de biología todo el día, pero ya hay un libro sobre el tema, así que consulte "Diagnóstico de ECG en la práctica clínica", de Nicholas Peters, Michael Gatzoulis y Romeo Vecht. Este libro es extremadamente fácil de leer y demuestra la asombrosa utilidad de un ECG.

Para crear el ECG, necesitará los siguientes componentes o sustituciones aceptables.

• Para el diseño de circuitos:

  • Tablero de circuitos
  • Amplificadores OP x 5
  • Resistencias
  • Condensadores
  • Alambres
  • Pinzas de cocodrilo u otros métodos de estimulación y medición
  • Cables BNC
  • Generador de funciones
  • Osciloscopio
  • Fuente de alimentación de CC o baterías si tiene la mano

• Para la detección de frecuencia cardíaca:

  • LabView
  • Tablero DAQ

• Para medición de señales biológicas *

  • Electrodos
  • Pinzas de cocodrilo o cables de electrodos

* Puse una nota de advertencia arriba y hablaré un poco más sobre los peligros de los componentes eléctricos para el cuerpo humano. No conecte este ECG consigo mismo a menos que se haya asegurado de utilizar las técnicas de aislamiento adecuadas. La conexión de dispositivos con alimentación principal, como fuentes de alimentación, osciloscopios y computadoras directamente al circuito, puede provocar que fluyan grandes corrientes a través del circuito en el caso de una sobretensión. Aísle el circuito de la fuente de alimentación mediante el uso de baterías y otras técnicas de aislamiento.

A continuación, hablaré de la parte divertida; ¡Elementos de diseño de circuitos!

Paso 1: Especificaciones de diseño de circuitos

Ahora hablaré de diseño de circuitos. No discutiré los esquemas de circuitos, ya que se darán después de esta sección. Esta sección es para personas que quieren entender por qué elegimos los componentes que elegimos.

La imagen de arriba, tomada de mi manual de laboratorio en la Universidad de Purdue, nos brinda casi todo lo que necesitamos saber para diseñar un circuito de ECG básico. Esta es la composición de frecuencia de una señal de ECG sin filtrar, con una "amplitud" genérica (eje y) que se refiere a un número adimensional con fines comparativos. ¡Ahora hablemos de diseño!

A. Amplificador de instrumentación

El amplificador de instrumentación será la primera etapa del circuito. Esta herramienta versátil amortigua la señal, reduce el ruido de modo común y amplifica la señal.

Estamos recibiendo una señal del cuerpo humano. Algunos circuitos le permiten utilizar su fuente de medición como fuente de alimentación, ya que hay una carga adecuada disponible sin riesgo de daños. Sin embargo, no queremos dañar a nuestros sujetos humanos, por lo que necesitamos almacenar la señal que estamos interesados en medir. Un amplificador de instrumentación le permite almacenar señales biológicas, ya que las entradas de amplificador operacional tienen una impedancia teóricamente infinita (este no es el caso, en la práctica, pero la impedancia suele ser lo suficientemente alta) lo que significa que ninguna corriente (teóricamente) puede fluir hacia la entrada terminales.

El cuerpo humano tiene ruido. Las señales de los músculos pueden hacer que este ruido se manifieste en señales de ECG. Para reducir este ruido, podemos usar un amplificador diferencial para reducir el ruido de modo común. Esencialmente, queremos restar el ruido que está presente en los músculos del antebrazo en la colocación de dos electrodos. Un amplificador de instrumentación incluye un amplificador diferencial.

Las señales en el cuerpo humano son pequeñas. Necesitamos amplificar estas señales para que puedan medirse con una resolución adecuada utilizando dispositivos de medición eléctricos. Un amplificador de instrumentación proporciona la ganancia necesaria para hacer esto. Consulte el enlace adjunto para obtener más información sobre amplificadores de instrumentación.

www.electronics-tutorial.net/amplifier/instrumentation-amplifier/index.html

B. Filtro de muesca

Las líneas eléctricas en los EE. UU. Producen un "zumbido de la red eléctrica" o "ruido de la línea eléctrica" exactamente a 60 Hz. En otros países, esto ocurre a 50 Hz. Podemos ver este ruido mirando la imagen de arriba. Dado que nuestra señal de ECG todavía está un poco dentro de la banda de interés, queremos eliminar este ruido. Para eliminar este ruido, se puede utilizar un filtro de muesca, que reduce la ganancia en las frecuencias dentro de la muesca. Algunas personas pueden no estar interesadas en las frecuencias más altas en el espectro de ECG y pueden optar por crear un filtro de paso bajo con un corte por debajo de 60 Hz. Sin embargo, queríamos equivocarnos en el lado seguro y recibir la mayor cantidad de señal posible, por lo que se eligió un filtro de muesca y un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte más alta.

Consulte el enlace adjunto para obtener más información sobre los filtros de muesca.

www.electronics-tutorials.ws/filter/band-st…

C. Filtro de paso bajo Butterworth VCVS de segundo orden

La composición de frecuencia de una señal de ECG solo se extiende hasta cierto punto. Queremos eliminar las señales a frecuencias más altas, ya que para nuestros propósitos, son simplemente ruido. Las señales de su teléfono celular, dispositivo bluetooth o computadora portátil están en todas partes, y estas señales causarían un ruido inaceptable en la señal del ECG. Pueden eliminarse con un filtro de paso bajo Butterworth. Nuestra frecuencia de corte elegida fue 220 Hz, que en retrospectiva, era un poco alta. Si tuviera que crear este circuito nuevamente, elegiría una frecuencia de corte mucho más baja que esa, y tal vez incluso experimentaría con una frecuencia de corte por debajo de 60 Hz y usaría un filtro de orden superior en su lugar.

Este filtro es de segundo orden. Esto significa que la ganancia "se reduce" a una velocidad de 40 db / década en lugar de 20 db / década como lo haría un filtro de primer orden. Esta caída más pronunciada proporciona una mayor mitigación de la señal de alta frecuencia.

Se eligió un filtro Butterworth ya que es "máximamente plano" en la banda de paso, lo que significa que no hay distorsión dentro de la banda de paso. Si está interesado, este enlace contiene información asombrosa para el diseño básico de filtros de segundo orden:

www.electronics-tutorials.ws/filter/second-…

Ahora que hemos hablado del diseño de circuitos, podemos comenzar con la construcción.

Paso 2: construya el amplificador de instrumentación

Este circuito almacenará la entrada, restará el ruido de modo común y amplificará la señal con una ganancia de 100. El esquema del circuito y las ecuaciones de diseño que lo acompañan se muestran arriba. Esto fue creado usando el diseñador de OrCAD Pspice y simulado usando Pspice. El esquema sale un poco borroso cuando se copia de OrCAD, así que me disculpo por esto. He editado la imagen para, con suerte, aclarar un poco algunos de los valores de la resistencia.

Recuerde que al crear circuitos, se deben elegir valores razonables de resistencia y capacitancia de manera que se tengan en cuenta la impedancia práctica de la fuente de voltaje, la impedancia práctica del dispositivo de medición de voltaje y el tamaño físico de las resistencias y capacitores.

Las ecuaciones de diseño se enumeran arriba. Inicialmente, queríamos que la ganancia del amplificador de instrumentación fuera x1000, y creamos este circuito para poder amplificar señales simuladas. Sin embargo, al conectarlo a nuestro cuerpo, queríamos reducir la ganancia a 100 por razones de seguridad, ya que las placas de prueba no son exactamente las interfaces de circuitos más estables. Esto se hizo mediante el intercambio en caliente de la resistencia 4 para reducirlo en un factor de diez. Idealmente, su ganancia de cada etapa del amplificador de instrumentación sería la misma, pero en cambio nuestra ganancia se convirtió en 31.6 para la etapa 1 y 3.16 para la etapa 2, dando una ganancia de 100. Adjunté el esquema del circuito para una ganancia de 100 en lugar de 1000. Aún verá señales biológicas y simuladas perfectamente bien con este nivel de ganancia, pero puede que no sea ideal para componentes digitales con una resolución baja.

Tenga en cuenta que en el esquema del circuito, tengo las palabras "entrada de tierra" y "entrada positiva" dibujadas en texto naranja. Coloqué accidentalmente la entrada de la función donde se supone que debe estar el suelo. Ponga tierra donde se anota "entrada de tierra" y la función donde se anota "entrada positiva".

• Resumen

  • Ganancia de la etapa 1 - 31,6
  • Ganancia de la etapa 2: 3,16 por motivos de seguridad

Paso 3: construya el filtro de muesca

Este filtro de muesca elimina el ruido de 60 Hz de las líneas eléctricas de EE. UU. Dado que queremos que este filtro haga una muesca exactamente a 60 Hz, es fundamental utilizar los valores de resistencia correctos.

Las ecuaciones de diseño se enumeran arriba. Se utilizó un factor de calidad de 8, lo que da como resultado un pico más pronunciado en la frecuencia de atenuación. Se utilizó una frecuencia central (f0) de 60 Hz, con un ancho de banda (beta) de 2 rad / s para proporcionar atenuación a frecuencias que se desvían ligeramente de la frecuencia central. Recuerde que la letra griega omega (w) está en unidades de rad / s. Para convertir de Hz a rad / s, debemos multiplicar nuestra frecuencia central, 60 Hz, por 2 * pi. Beta también se mide en rad / s.

• Valores para ecuaciones de diseño

  • w0 = 376,99 rad / s
  • Beta (B) = 2 rad / s
  • Q = 8
• A partir de aquí, se eligieron valores razonables de resistencia y capacitancia para construir el circuito.

Paso 4: construya el filtro de paso bajo

Se utiliza un filtro de paso bajo para eliminar las altas frecuencias que no estamos interesados en medir, como las señales de los teléfonos móviles, la comunicación por bluetooth y el ruido de WiFi. Un filtro Butterworth VCVS activo de segundo orden proporciona una señal máximamente plana (limpia) en la región de paso de banda con una caída de -40 db / década en la región de atenuación.

Las ecuaciones de diseño se enumeran arriba. Estas ecuaciones son un poco largas, ¡así que recuerde revisar sus matemáticas! Tenga en cuenta que los valores de bya se eligen cuidadosamente para proporcionar una señal plana en la región de graves y una atenuación uniforme en la región de atenuación. Para obtener más información sobre cómo se obtienen estos valores, consulte el enlace del paso 2, sección C, "filtro de paso bajo".

La especificación para C1 es bastante ambigua, ya que simplemente es menor que un valor basado en C2. Calculé que era menor o igual a 22 nF, así que elegí 10 nF. El circuito funcionó bien y el punto de -3 db estaba muy cerca de 220 Hz, por lo que no me preocuparía demasiado por esto. Recuerde nuevamente que la frecuencia angular (wc) en rad / s es igual a la frecuencia de corte en Hz (fc) * 2pi.

• Restricciones de diseño

  • K (ganancia) = 1
  • b = 1
  • a = 1,4142
  • Frecuencia de corte: 220 Hz

La frecuencia de corte de 220 Hz parecía un poco alta. Si tuviera que hacer esto de nuevo, probablemente lo acercaría a 100 Hz, o incluso jugaría con un paso bajo de orden superior con un corte de 50 Hz. ¡Te animo a que pruebes diferentes valores y esquemas!

Paso 5: conecte el amplificador de instrumentación, el filtro de muesca y el filtro de paso bajo

Ahora, simplemente conecte la salida del amplificador de instrumentación a la entrada del filtro de muesca. Luego, conecte la salida del filtro de muesca a la entrada del filtro de paso bajo.

También agregué condensadores de derivación de la fuente de alimentación de CC a tierra para eliminar algo de ruido. Estos capacitores deben tener el mismo valor para cada amplificador operacional y al menos 0.1 uF, pero aparte de eso, no dude en usar cualquier valor razonable.

Traté de usar un pequeño circuito de envolvente para "suavizar" la señal ruidosa, pero no estaba funcionando como se esperaba y tenía poco tiempo, así que descarté esta idea y usé procesamiento digital en su lugar. ¡Este sería un paso adicional genial si tienes curiosidad!

Paso 6: Encienda el circuito, ingrese una forma de onda y mida

Instrucciones para alimentar el circuito y tomar medidas. Dado que el equipo de cada persona es diferente, no hay una manera sencilla de decirle cómo ingresar y medir. He dado instrucciones básicas aquí. Consulte el diagrama anterior para ver un ejemplo de configuración.

1. Conecte el generador de funciones al amplificador de instrumentación.

   • Clip positivo al amplificador operacional inferior en el diagrama del amplificador de instrumentación
   • Clip negativo a tierra.
   • Conecte a tierra la entrada del amplificador operacional superior en el diagrama del amplificador de instrumentación. Esto proporcionará una referencia para la señal entrante. (En señales biológicas, esta entrada será un electrodo con la intención de reducir el ruido de modo común).

2. Conecte el clip positivo del osciloscopio a la salida en la etapa final (salida del filtro de paso bajo).

   • clip positivo a la salida en la etapa final
   • clip negativo a tierra
3. Conecte su fuente de alimentación de CC a los rieles, asegurándose de que cada entrada de alimentación del amplificador operacional esté en cortocircuito con el riel al que corresponde.

4. Conecte la toma de tierra de su fuente de alimentación de CC al riel inferior restante, proporcionando una referencia para su señal.

   Corta la tierra del riel inferior con la tierra del riel superior, lo que debería permitirle limpiar el circuito

¡Empiece a introducir una onda y utilice el osciloscopio para tomar medidas! Si su circuito funciona según lo previsto, debería ver una ganancia de 100. Esto significaría que el voltaje de pico a pico debería ser de 2 V para una señal de 20 mV. Si su generador de funciones es una forma de onda cardíaca elegante, intente ingresar eso.

Juega con frecuencias y entradas para asegurarte de que tu filtro funcione correctamente. Intente probar cada etapa individualmente y luego pruebe el circuito como un todo. Adjunté un experimento de muestra en el que analicé la función del filtro de muesca. Noté suficiente atenuación de 59,5 Hz a 60,5 Hz, pero hubiera preferido tener un poco más de atenuación en los puntos de 59,5 y 60,5 Hz. Sin embargo, el tiempo era esencial, así que seguí adelante y pensé que podría eliminar el ruido digitalmente más tarde. Aquí hay algunas preguntas que desea considerar para su circuito:

• ¿La ganancia es 100?
• Verifique la ganancia a 220 Hz. ¿Es -3 db o cerca de eso?
• Compruebe la atenuación a 60 Hz. ¿Es suficientemente alto? ¿Sigue proporcionando algo de atenuación a 60,5 y 59,5 Hz?
• ¿Qué tan rápido se cae el filtro desde 220 Hz? ¿Es -40 db / década?
• ¿Entra corriente en alguna de las entradas? Si es así, este circuito no es adecuado para la medición humana y es probable que algo esté mal con su diseño o componentes.

Si su circuito funciona según lo previsto, ¡entonces está listo para seguir adelante! Si no es así, tiene que solucionar algunos problemas. Verifique la salida de cada etapa individualmente. Asegúrese de que sus amplificadores operacionales estén alimentados y sean funcionales. Examine el voltaje en cada nodo hasta que encuentre el problema con el circuito.

Paso 7: Medición de frecuencia cardíaca de LabVIEW

LabVIEW nos permitirá medir la frecuencia cardíaca usando un diagrama de bloques lógicos. Con más tiempo, hubiera preferido digitalizar los datos yo mismo y crear un código que determinara la frecuencia cardíaca, ya que no requeriría computadoras con labVIEW instalado y una placa DAQ considerable. Además, los valores numéricos en labVIEW no se obtuvieron de forma intuitiva. Sin embargo, aprender labVIEW fue una experiencia valiosa, ya que usar la lógica de diagrama de bloques es mucho más fácil que tener que codificar su propia lógica.

No hay mucho que decir sobre esta sección. Conecte la salida de su circuito a la placa DAQ y conecte la placa DAQ a la computadora. Cree el circuito que se muestra en la siguiente imagen, presione "ejecutar" y comience a recopilar datos. Asegúrese de que su circuito esté recibiendo una forma de onda.

Algunas configuraciones importantes en esto son:

• una frecuencia de muestreo de 500 Hz y un tamaño de ventana de 2500 unidades significa que estamos capturando 5 segundos de datos dentro de la ventana. Esto debería ser suficiente para ver 4-5 latidos en reposo y más durante el ejercicio.
• Un pico detectado de 0,9 fue suficiente para detectar la frecuencia cardíaca. Aunque parece que se verifica gráficamente, en realidad tomó bastante tiempo llegar a este valor. Debería jugar con esto hasta que esté calculando con precisión los latidos del corazón.
• Un ancho de "5" parecía ser suficiente. Una vez más, este valor se modificó y no parecía tener un sentido intuitivo.
• La entrada numérica para calcular la frecuencia cardíaca utiliza un valor de 60. Cada vez que se indica un latido, pasa por el circuito de nivel inferior y devuelve un 1 cada vez que late el corazón. Si dividimos este número por 60, básicamente estamos diciendo "divide 60 por el número de latidos calculado en la ventana". Esto devolverá su frecuencia cardíaca, en latidos / min.

La imagen adjunta es de mi propio latido en labVIEW. Determinó que mi corazón latía a 82 BPM. ¡Estaba muy emocionado de finalmente tener este circuito funcionando!

Paso 8: medición humana

Si se ha demostrado a sí mismo que su circuito es seguro y funcional, puede medir sus propios latidos. Con electrodos de medición 3M, colóquelos en las siguientes ubicaciones y conéctelos al circuito. Los cables de muñeca van en el interior de la muñeca, preferiblemente donde hay poco o ningún pelo. El electrodo de tierra va en la parte huesuda de su tobillo. Utilizando pinzas de cocodrilo, conecte el cable positivo a la entrada positiva, el cable negativo a la entrada negativa y el electrodo de tierra al riel de tierra (preste mucha atención a que no es el riel de alimentación negativo).

Una última repetición Nota: "Este no es un dispositivo médico. Esto es solo para fines educativos usando 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. Usted asume el riesgo de cualquier daño incurrido ".

Asegúrese de que su osciloscopio esté conectado correctamente. Asegúrese de que no fluya corriente hacia el amplificador operacional y de que el electrodo de tierra esté conectado a tierra. Asegúrese de que los tamaños de las ventanas de su osciloscopio sean correctos. Observé un complejo QRS de aproximadamente 60 mV y usé una ventana de 5 segundos. Conecte las pinzas de cocodrilo a sus respectivos electrodos positivo, negativo y de tierra. Debería comenzar a ver una forma de onda de ECG después de un par de segundos. Relajarse; no haga ningún movimiento ya que el filtro aún puede captar señales musculares.

Con la configuración de circuito adecuada, debería ver algo como esa salida en el paso anterior. Esta es su propia señal de ECG. A continuación, tocaré el procesamiento.

NOTA: Verá diferentes configuraciones de ECG de 3 electrodos en línea. Estos también funcionarían, pero pueden dar formas de onda invertidas. Con la forma en que se configura el amplificador diferencial en este circuito, esta configuración de electrodo proporciona una forma de onda compleja de QRS positivo tradicional.

Paso 9: procesamiento de señales

Así que se ha conectado al osciloscopio y puede ver el complejo QRS, pero la señal todavía parece ruidosa. Probablemente algo parecido a la primera imagen de esta sección. Esto es normal. Estamos usando un circuito en una placa de pruebas abierta, con un montón de componentes eléctricos que básicamente actúan como pequeñas antenas. Las fuentes de alimentación de CC son notoriamente ruidosas y no hay blindaje de RF. Por supuesto, la señal será ruidosa. Hice un breve intento de utilizar un circuito de rastreo de envolvente, pero se me acabó el tiempo. ¡Sin embargo, es fácil hacer esto digitalmente! Simplemente tome una media móvil. La única diferencia entre el gráfico gris / azul y el gráfico negro / verde es que el gráfico negro / verde usa un promedio móvil de voltaje en una ventana de 3 ms. Esta es una ventana tan pequeña en comparación con el tiempo entre latidos, pero hace que la señal se vea mucho más suave.

Paso 10: ¿Pasos siguientes?

Este proyecto fue genial, pero siempre se puede hacer algo mejor. Estos son algunos de mis pensamientos. ¡No dudes en dejar el tuyo a continuación!

• Utilice una frecuencia de corte más baja. Esto debería eliminar parte del ruido presente en el circuito. Tal vez incluso juegue con el uso de solo un filtro de paso bajo con una caída pronunciada.
• Suelde los componentes y cree algo permanente. Esto debería reducir el ruido, es más fresco y más seguro.
• Digitalice la señal y envíela por su cuenta, eliminando la necesidad de una placa DAQ y permitiéndole escribir código que determinará el latido del corazón por usted en lugar de tener que usar LabVIEW. Esto permitirá que el usuario cotidiano detecte los latidos del corazón sin necesidad de un programa potente.

¿Proyectos futuros?

• Cree un dispositivo que muestre la entrada directamente en una pantalla (hmmmm raspberry pi y proyecto de pantalla)
• Utilice componentes que harán que el circuito sea más pequeño.
• Cree un ECG portátil todo en uno con pantalla y detección de frecuencia cardíaca.

¡Esto concluye el instructable! Gracias por leer. Deje sus pensamientos o sugerencias a continuación.