Diseño de un circuito y un monitor digital de ECG: 5 pasos

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

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

El objetivo de este proyecto es construir un circuito que pueda amplificar y filtrar una señal de ECG, también conocido como electrocardiograma. Un ECG se puede utilizar para determinar la frecuencia cardíaca y el ritmo cardíaco, ya que es capaz de detectar las señales eléctricas que pasan a través de varias partes del corazón durante las diferentes etapas del ciclo cardíaco. Aquí utilizamos un amplificador de instrumentación, un filtro de muesca y un filtro de paso bajo para amplificar y filtrar el ECG. Luego, utilizando LabView, se calculan los latidos por minuto y se muestra una representación gráfica del ECG. El producto terminado se puede ver arriba.

Paso 1: Amplificador de instrumentación

La ganancia necesaria para el amplificador de instrumentación es 1000 V / V. Esto permitiría una amplificación suficiente de la señal entrante que es mucho más pequeña. El amplificador de instrumentación se divide en dos partes, Etapa 1 y Etapa 2. La ganancia de cada etapa (K) debe ser similar, de modo que cuando se multiplican, la ganancia es de alrededor de 1000. Las siguientes ecuaciones se utilizan para calcular la ganancia.

K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

K2 = -R4 / R3

A partir de estas ecuaciones, se encontraron los valores de R1, R2, R3 y R4. Para construir el circuito que se ve en las imágenes, se utilizaron tres amplificadores operacionales y resistencias uA741. Los amplificadores operacionales se alimentan con 15 V de una fuente de alimentación de CC. La entrada del amplificador de instrumentación se conectó a un generador de funciones y la salida se conectó a un osciloscopio. Luego, se tomó un barrido de CA y se encontró la ganancia del amplificador de instrumentación, como se puede ver en el gráfico "Ganancia del amplificador de instrumentación" anterior. Finalmente, el circuito se recreó en LabView, donde se ejecutó una simulación de la ganancia, como se puede ver en el gráfico negro de arriba. Los resultados confirmaron que el circuito funcionaba correctamente.

Paso 2: filtro de muesca

El filtro de muesca se utiliza para eliminar el ruido que se produce a 60 Hz. Los valores de los componentes se pueden calcular utilizando las siguientes ecuaciones. Se utilizó un factor de calidad (Q) de 8. Se eligió C dados los condensadores disponibles.

R1 = 1 / (2 * Q * ω * C)

R2 = 2 * Q / (ω * C)

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

Se encontraron los valores de resistencia y capacitor y se construyó el circuito de arriba, los valores calculados se pueden ver allí. El amplificador operacional fue alimentado por una fuente de alimentación de CC, con la entrada conectada a un generador de funciones y la salida a un osciloscopio. La ejecución de un barrido de CA dio como resultado el gráfico "Barrido de CA del filtro de muesca" anterior, que muestra que se ha eliminado una frecuencia de 60 Hz. Para confirmar esto, se ejecutó una simulación de LabView que confirmó los resultados.

Paso 3: filtro de paso bajo

Se utiliza un filtro de paso bajo Butterworth de segundo orden, con una frecuencia de corte de 250 Hz. Para resolver los valores de resistencia y condensador, se utilizaron las siguientes ecuaciones. Para estas ecuaciones, la frecuencia de corte en Hz se cambió para estar en rad / seg, que resultó ser 1570,8. Se utilizó una ganancia de K = 1. Los valores de ayb se proporcionaron como 1,414214 y 1 respectivamente.

R1 = 2 / (wc (a C2 + sqrt (a ^ 2 + 4 b (K - 1)) C2 ^ 2-4 b C1 C2))

R2 = 1 / (b C1 C2 R1 wc ^ 2)

R3 = K (R1 + R2) / (K - 1)

R4 = K (R1 + R2)

C1 = (C2 (a ^ 2 + 4 segundo (K-1)) / (4 segundo)

C2 = (10 / fc)

Una vez calculados los valores, se construyó el circuito con los valores, que se pueden ver en una de las imágenes de arriba. Cabe señalar que, dado que se usó una ganancia de 1, R3 se reemplazó con un circuito abierto y R4 se reemplazó con un cortocircuito. Una vez que se ensambló el circuito, el amplificador operacional se alimentó con 15 V de una fuente de alimentación de CC. Al igual que los otros componentes, la entrada y la salida se conectaron a un generador de funciones y un osciloscopio respectivamente. Se creó un gráfico del barrido de CA, que se ve en el "Barrido de CA del filtro de paso bajo" anterior. La trama en negro en la simulación LabView del circuito, confirmando nuestros resultados.

Paso 4: LabVIEW

El programa LabVIEW que se muestra en la imagen se usa para calcular latidos por minuto y para mostrar una representación visual del ECG de entrada. El DAQ Assistant adquiere la señal de entrada y establece los parámetros de muestreo. El gráfico de forma de onda luego traza la entrada que recibe el DAQ en la interfaz de usuario para mostrarla al usuario. Se realizan múltiples análisis sobre los datos de entrada. Los valores máximos de los datos de entrada se encuentran usando el identificador Max / Min, y los parámetros para detectar picos se establecen usando Peak Detection. Usando una matriz de índice de las ubicaciones de los picos, el tiempo entre los valores máximos dados por el componente Cambio en el tiempo y varias operaciones aritméticas, el BPM se calcula y se muestra como la salida numérica.

Paso 5: circuito completo

Una vez conectados todos los componentes, se probó el sistema completo con una señal de ECG simulada. Luego, el circuito se usó para filtrar y amplificar un ECG humano con los resultados mostrados a través del programa LabView mencionado anteriormente. Se colocaron electrodos en la muñeca derecha, la muñeca izquierda y el tobillo izquierdo. La muñeca izquierda y la muñeca derecha estaban conectadas a las entradas del amplificador de instrumentación, mientras que el tobillo izquierdo estaba conectado a tierra. La salida del filtro de paso bajo se conectó luego al DAQ Assistant. Utilizando el mismo diagrama de bloques de LabView de antes, se ejecutó el programa. Con el ECG humano pasando, se vio una señal clara y estable desde la salida del sistema completo, que se puede ver en la imagen de arriba.