Circuito de electrocardiograma (ECG): 7 pasos

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

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.

Somos dos estudiantes de Ingeniería Biomédica y después de tomar nuestra primera clase de circuitos, estábamos bastante emocionados y decidimos usar los conceptos básicos que aprendimos para hacer algo útil: mostrar un ECG y leer la frecuencia cardíaca. ¡Este sería el circuito más complejo que hemos construido hasta ahora!

Algunos antecedentes sobre un ECG:

Muchos dispositivos eléctricos se utilizan para medir y registrar la actividad biológica en el cuerpo humano. Uno de esos dispositivos es el electrocardiograma, que mide las señales eléctricas producidas por el corazón. Estas señales brindan información objetiva sobre la estructura y función del corazón. El ECG se desarrolló por primera vez en 1887 y brindó a los médicos una nueva forma de diagnosticar las complicaciones cardíacas. Los ECG pueden detectar el ritmo cardíaco, la frecuencia cardíaca, los ataques cardíacos, el suministro inadecuado de sangre y oxígeno al corazón y anomalías estructurales. Usando un diseño de circuito simple, se puede hacer un ECG que podría monitorear todas estas cosas.

Paso 1: Materiales

Construyendo el circuito

Los materiales básicos necesarios para construir el circuito se muestran en imágenes. Incluyen:

• Tablero de circuitos

• Amplificadores operacionales

  • Todos los amplificadores operacionales utilizados en este circuito son LM741.
  • Para obtener más información, consulte la hoja de datos:
• Resistencias
• Condensadores
• Alambres

• Electrodos adhesivos

  Estos solo son necesarios si decide probar el circuito en una persona real

El software utilizado incluye:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab o PSpice para simulaciones para verificar valores

• Sobresalir

  Esto es muy recomendable en caso de que necesite cambiar alguna característica de su circuito. También es posible que deba jugar con los números hasta que encuentre valores de resistencia y condensador que estén fácilmente disponibles. ¡Se desaconsejan los cálculos con lápiz y papel para este! Hemos adjuntado nuestros cálculos de hoja de cálculo para dar una idea

Probando el circuito

También necesitará algún equipo electrónico más grande:

• Fuente de alimentación DC
• Tarjeta DAQ para interconectar el circuito a LabVIEW
• Generador de funciones para probar el circuito
• Osciloscopio para probar el circuito

Paso 2: Amplificador de instrumentación

Por qué lo necesitamos:

Construiremos un amplificador de instrumentación para amplificar la pequeña amplitud medida desde el cuerpo. El uso de dos amplificadores en nuestra primera etapa nos permitirá cancelar el ruido creado por el cuerpo (que será el mismo en ambos electrodos). Usaremos dos etapas de ganancia aproximadamente igual; esto protege al usuario si el sistema está conectado a una persona al evitar que toda la ganancia ocurra en un solo lugar. Dado que la amplitud normal de una señal de ECG está entre 0,1 y 5 mV, queremos que la ganancia del amplificador de instrumentación sea de aproximadamente 100. Una tolerancia aceptable de la ganancia es del 10%.

Cómo construirlo:

Usando estas especificaciones y las ecuaciones que se ven en la tabla (imágenes adjuntas), encontramos que los valores de nuestra resistencia son R1 = 1.8 kiloOhms, R2 = 8.2 kiloOhms, R3 = 1.5 kiloOhms y R4 = 15 kiloOhms. K1 es la ganancia de la primera etapa (OA1 y OA2) y K2 es la ganancia de la segunda etapa (OA3). Se utilizan condensadores de derivación de igual capacitancia en las fuentes de alimentación de los amplificadores operacionales para eliminar el ruido.

Cómo probarlo:

Cualquier señal que se alimente al amplificador de instrumentación debe amplificarse en 100. Usando dB = 20log (Vout / Vin) esto significa una relación de 40 dB. Puede simular esto en PSpice o CircuitLab, o probar el dispositivo físico, ¡o ambos!

La imagen del osciloscopio adjunta muestra una ganancia de 1000. ¡Para un ECG real, esto es demasiado alto!

Paso 3: filtro de muesca

Por qué lo necesitamos:

Usaremos un filtro de muesca para eliminar el ruido de 60 Hz presente en todas las fuentes de alimentación en los Estados Unidos.

Cómo construirlo:

Estableceremos el factor de calidad Q en 8, lo que proporcionará una salida de filtrado aceptable mientras mantiene los valores de los componentes en un rango factible. También establecemos el valor del capacitor en 0.1 μF para que los cálculos afecten solo a las resistencias. Los valores de resistencia calculados y utilizados se pueden ver en la tabla (en imágenes) o debajo

• Q = w / B

  establezca Q en 8 (o elija el suyo según sus necesidades)

• w = 2 * pi * f

  utilizar f = 60 Hz

• C

  establezca en 0,1 uF (o elija su propio valor entre los condensadores disponibles)

• R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

  Calcular. Nuestro valor es de 1,66 kohm

• R2 = 2 * Q / (w * C)

  Calcular. Nuestro valor es 424,4 kohm

• R3 = R1 * R2 / (R1 + R2)

  Calcular. Nuestro valor es de 1,65 kohm

Cómo probarlo:

El filtro de muesca debe pasar todas las frecuencias sin cambios, excepto aquellas alrededor de 60 Hz. Esto se puede verificar con un barrido de CA. Un filtro con una ganancia de -20 dB a 60 Hz se considera bueno. Puede simular esto en PSpice o CircuitLab, o probar el dispositivo físico, ¡o ambos!

Este tipo de filtro de muesca puede generar una buena muesca en el barrido de CA simulado, pero una prueba física mostró que nuestros valores originales generaron una muesca a una frecuencia más baja de la prevista. Para solucionar esto, aumentamos R2 en aproximadamente 25 kohm.

La imagen del osciloscopio muestra que el filtro reduce en gran medida la magnitud de la señal de entrada a 60 Hz. El gráfico muestra un barrido de CA para un filtro de muesca de alta calidad.

Paso 4: filtro de paso bajo

Por qué lo necesitamos:

La última etapa del dispositivo es un filtro de paso bajo activo. La señal de ECG está formada por muchas formas de onda diferentes, cada una de las cuales tiene su propia frecuencia. Queremos capturar todo esto, sin ningún ruido de alta frecuencia. Se selecciona la frecuencia de corte estándar para monitores de ECG de 150 Hz. (A veces se eligen límites más altos para monitorear problemas cardíacos específicos, pero para nuestro proyecto, usaremos un límite normal).

Si desea hacer un circuito más simple, también puede usar un filtro de paso bajo pasivo. Esto no incluirá un amplificador operacional y consistirá en solo una resistencia en serie con un capacitor. La tensión de salida se medirá a través del condensador.

Cómo construirlo:

Lo diseñaremos como un filtro Butterworth de segundo orden, que tiene coeficientes ayb iguales a 1.414214 y 1, respectivamente. Al establecer la ganancia en 1, el amplificador operacional se convierte en un seguidor de voltaje. Las ecuaciones y los valores elegidos se muestran en la tabla (en imágenes) y a continuación.

• w = 2 * pi * f

  establecer f = 150 Hz

• C2 = 10 / f

  Calcular. Nuestro valor es 0.067 uF

• C1 <= C2 * (a ^ 2) / (4b)

  Calcular. Nuestro valor es 0.033 uF

• R1 = 2 / (w * (aC2 + sqrt (a ^ 2 * C2 ^ 2-4b * C1 * C2)))

  Calcular. Nuestro valor es 18.836 kohm

• R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2)

  Calcular. Nuestro valor es 26.634 kohm

Cómo probarlo:

El filtro debe pasar las frecuencias por debajo del corte sin cambios. Esto se puede probar usando un barrido de CA. Puede simular esto en PSpice o CircuitLab, o probar el dispositivo físico, ¡o ambos!

La imagen del osciloscopio muestra la respuesta del filtro a 100 Hz, 150 Hz y 155 Hz. Nuestro circuito físico tenía un corte más cercano a 155 Hz, mostrado por la relación de -3 dB.

Paso 5: filtro de paso alto

Por qué lo necesitamos:

El filtro de paso alto se utiliza para que las frecuencias por debajo de un cierto valor de corte no se registren, lo que permite el paso de una señal limpia. La frecuencia de corte se elige para que sea de 0,5 Hz (un valor estándar para los monitores de ECG).

Cómo construirlo:

Los valores de resistencia y condensador necesarios para lograr esto se ven a continuación. Nuestra resistencia real utilizada fue de 318,2 kohmios.

• R = 1 / (2 * pi * f * C)

  • establecer f = 0.5 Hz, y C = 1 uF
  • Calcula R. Nuestro valor es 318,310 kohm

Cómo probarlo:

El filtro debe pasar las frecuencias por encima del corte sin cambios. Esto se puede probar usando un barrido de CA. Puede simular esto en PSpice o CircuitLab, o probar el dispositivo físico, ¡o ambos!

Paso 6: Configurando LabVIEW

El diagrama de flujo presenta el concepto de diseño de la parte de LabVIEW del proyecto que registra la señal a una frecuencia de muestreo alta y muestra la frecuencia cardíaca (BPM) y el ECG. Nuestro circuito LabView contiene los siguientes componentes: asistente DAQ, matriz de índices, operadores aritméticos, detección de picos, indicadores numéricos, gráfico de forma de onda, cambio en el tiempo, identificador máximo / mínimo y constantes numéricas. El asistente DAQ está configurado para tomar muestras continuas a una velocidad de 1 kHz, con el número de muestras cambiado entre 3000 y 5000 muestras para fines de detección de picos y claridad de señal.

¡Pase el mouse sobre los diferentes componentes en el diagrama de circuito para leer en qué lugar de LabVIEW encontrarlos!

Paso 7: recopilación de datos

Ahora que el circuito se ha ensamblado, se pueden recopilar datos para ver si funciona. Envíe un ECG simulado a través del circuito a 1 Hz. El resultado debe ser una señal de ECG limpia donde se puedan ver claramente el complejo QRS, la onda P y la onda T. La frecuencia cardíaca también debe mostrar 60 latidos por minuto (lpm). Para probar más el circuito y la configuración de LabVIEW, cambie la frecuencia a 1.5 Hz y 0.5 Hz. La frecuencia cardíaca debe cambiar a 90 lpm y 30 lpm respectivamente.

Para que las frecuencias cardíacas más lentas se muestren con precisión, es posible que deba ajustar la configuración de DAQ para mostrar más ondas por gráfico. Esto se puede hacer aumentando el número de muestras.

Si elige probar el dispositivo en un humano, asegúrese de que la fuente de alimentación que está utilizando para los amplificadores operacionales limite la corriente a 0.015 mA. Hay varias configuraciones de cables aceptables, pero elegimos colocar el electrodo positivo en el tobillo izquierdo, el electrodo negativo en la muñeca derecha y el electrodo de tierra en el tobillo derecho como se ve en la imagen adjunta.

Utilizando algunos conceptos básicos de circuitos y nuestro conocimiento del corazón humano, le hemos mostrado cómo crear un dispositivo divertido y útil. ¡Esperamos que hayas disfrutado de nuestro tutorial!