ECG digital y monitor de frecuencia cardíaca: 8 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 usa este circuito para mediciones de ECG reales, asegúrese de que el circuito y las conexiones entre el circuito y el instrumento estén utilizando energía de la batería y otras técnicas de aislamiento adecuadas

Un electrocardiograma (ECG) registra señales eléctricas durante el ciclo cardíaco. Cada vez que el corazón late, hay un ciclo de despolarización e hiperpolarización de las células del miocardio. La despolarización e hiperpolarización se pueden registrar mediante electrodos, y los médicos leen esa información para aprender más sobre cómo está funcionando el corazón. Un ECG puede determinar un infarto de miocardio, fibrilación auricular o ventricular, taquicardia y bradicardia [1]. Después de determinar cuál es el problema a partir del ECG, los médicos pueden diagnosticar y tratar al paciente con éxito. Siga los pasos a continuación para aprender cómo hacer su propio dispositivo de grabación de electrocardiogramas.

Paso 1: Materiales

Componentes del circuito:

• Cinco amplificadores operacionales UA741
• Resistencias
• Condensadores
• Cables de puente
• Tablero DAQ
• Software de LabVIEW

Equipo de pruebas:

• Generador de funciones
• Fuente de alimentación DC
• Osciloscopio
• Cables BNC y divisor en T
• Cables de salto
• Pinzas de cocodrilo
• Tapones de banana

Paso 2: Amplificador de instrumentación

La primera etapa del circuito es un amplificador de instrumentación. Esto amplifica la señal biológica para que se puedan distinguir los diferentes componentes del ECG.

El diagrama de circuito del amplificador de instrumentación se muestra arriba. La ganancia de la primera etapa de este circuito se define como K1 = 1 + 2 * R2 / R1. La ganancia de la segunda etapa del circuito se define como K2 = R4 / R3. La ganancia total del amplificador de instrumentación es K1 * K2. La ganancia deseada para este proyecto era aproximadamente 1000, por lo que se eligió K1 como 31 y K2 como 33. Los valores de resistencia para estas ganancias se muestran arriba en el diagrama del circuito. Puede usar los valores de resistencia que se muestran arriba o puede modificar los valores para cumplir con la ganancia deseada. **

Una vez que haya elegido los valores de sus componentes, el circuito se puede construir en la placa de pruebas. Para simplificar las conexiones del circuito en la placa de prueba, el riel horizontal negativo en la parte superior se estableció como tierra, mientras que los dos rieles horizontales en la parte inferior se establecieron en +/- 15V respectivamente.

El primer amplificador operacional se colocó en el lado izquierdo de la placa para dejar espacio para todos los componentes restantes. Los archivos adjuntos se agregaron en el orden cronológico de los pines. Esto hace que sea más fácil realizar un seguimiento de las piezas que se han agregado o no. Una vez que todos los pines están completos para el amplificador operacional 1, se puede colocar el siguiente amplificador operacional. Nuevamente, asegúrese de que esté relativamente cerca para dejar espacio. Se completó el mismo proceso cronológico de clavijas para todos los amplificadores operacionales hasta que se completó el amplificador de instrumentación.

Luego se agregaron capacitores de derivación además del diagrama del circuito para eliminar el acoplamiento de CA en los cables. Estos condensadores se pusieron en paralelo con el suministro de voltaje de CC y se conectaron a tierra en el riel negativo horizontal superior. Estos condensadores deben estar en el rango de 0,1 a 1 microFaradio. Cada amplificador operacional tiene dos condensadores de derivación, uno para el pin 4 y otro para el pin 7. Los dos condensadores de cada amplificador operacional deben tener el mismo valor, pero pueden variar de un amplificador operacional a otro.

Para probar la amplificación, se conectaron un generador de funciones y un osciloscopio a la entrada y salida del amplificador respectivamente. La señal de entrada también se conectó al osciloscopio. Se utilizó una onda sinusoidal simple para determinar la amplificación. Introduzca la salida del generador de funciones en los dos terminales de entrada del amplificador de instrumentación. Configure el osciloscopio para medir la relación entre la señal de salida y la señal de entrada. La ganancia de un circuito en decibelios es Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). Para una ganancia de 1000, la ganancia en decibelios es de 60 dB. Con el osciloscopio, puede determinar si la ganancia de su circuito construido cumple con sus especificaciones, o si necesita cambiar algunos valores de resistencia para mejorar su circuito.

Una vez que el amplificador de instrumentación esté correctamente ensamblado y funcionando, puede pasar al filtro de muesca.

** En el diagrama de circuito anterior, R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Paso 3: filtro de muesca

El propósito del filtro de muesca es eliminar el ruido de la fuente de alimentación de pared de 60 Hz. Un filtro de muesca atenúa la señal en la frecuencia de corte y pasa las frecuencias por encima y por debajo de ella. Para este circuito, la frecuencia de corte deseada es de 60 Hz.

Las ecuaciones que rigen para el diagrama de circuito que se muestra arriba son R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) y R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), donde Q es el factor de calidad yw es 2 * pi * (frecuencia de corte). Un factor de calidad de 8 da valores de resistencia y condensador en un rango razonable. Se puede suponer que todos los valores de los condensadores son iguales. Por lo tanto, puede elegir un valor de condensador disponible en sus kits. Los valores de resistencia que se muestran en el circuito anterior son para una frecuencia de corte de 60 Hz, un factor de calidad de 8 y un valor de condensador de 0,22 uF.

Dado que los condensadores se suman en paralelo, dos condensadores del valor C elegido se colocaron en paralelo para lograr un valor de 2C. Además, se agregaron condensadores de derivación al amplificador operacional.

Para probar el filtro de muesca, conecte la salida del generador de funciones a la entrada del filtro de muesca. Observe la entrada y salida del circuito en un osciloscopio. Para tener un filtro de muesca efectivo, debe tener una ganancia menor o igual a -20dB en la frecuencia de corte. Dado que los componentes no son ideales, esto puede ser difícil de lograr. Es posible que los valores de resistencia y condensador calculados no le proporcionen la ganancia deseada. Esto requerirá que realice cambios en los valores de la resistencia y el condensador.

Para hacerlo, concéntrese en un componente a la vez. Aumente y disminuya el valor de un solo componente sin cambiar ningún otro. Observe los efectos que esto tiene sobre la ganancia del circuito. Esto puede requerir mucha paciencia para lograr la ganancia deseada. Recuerde, puede agregar resistencias en serie para aumentar o disminuir los valores de las resistencias. El cambio que mejoró más nuestra ganancia fue aumentar uno de los condensadores a 0,33 uF.

Paso 4: filtro de paso bajo

El filtro de paso bajo elimina el ruido de alta frecuencia que puede interferir con la señal de ECG. Un corte de paso bajo de 40 Hz es suficiente para capturar la información de la forma de onda del ECG. Sin embargo, algunos componentes del ECG superan los 40 Hz. También se podría utilizar un corte de 100 Hz o 150 Hz [2].

El filtro de paso bajo construido es un filtro Butterworth de segundo orden. Dado que la ganancia de nuestro circuito está determinada por el amplificador de instrumentación, queremos una ganancia de 1 dentro de la banda para el filtro de paso bajo. Para una ganancia de 1, RA está en cortocircuito y RB en circuito abierto en el diagrama de circuito anterior [3]. En el circuito, C1 = 10 / (fc) uF, donde fc es la frecuencia de corte. C1 debe ser menor o igual que C2 * a ^ 2 / (4 * b). Para un filtro Butterworth de segundo orden, a = sqrt (2) yb = 1. Reemplazando los valores para ayb, la ecuación para C2 se simplifica a menos que o igual a C1 / 2. Entonces R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a ^ 2 * C2 ^ 2-4 * b * C1 * C2))] y R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2), donde w = 2 * pi * fc. Los cálculos para este circuito se completaron con el fin de proporcionar un corte de 40Hz. Los valores de resistencia y condensador que cumplen con estas especificaciones se muestran en el diagrama de circuito anterior.

El amplificador operacional se colocó en el lado más a la derecha de la placa de pruebas, ya que no se agregarán otros componentes después de él. Se agregaron resistencias y condensadores al amplificador operacional para completar el circuito. También se agregaron condensadores de derivación al amplificador operacional. El terminal de entrada se dejó vacío ya que la entrada vendrá de la señal de salida del filtro de muesca. Sin embargo, para propósitos de prueba, se colocó un cable en el pin de entrada para poder aislar el filtro de paso bajo y probarlo individualmente.

Se utilizó una onda sinusoidal del generador de funciones como señal de entrada y se observó a diferentes frecuencias. Observe las señales de entrada y salida en un osciloscopio y determine la ganancia del circuito a diferentes frecuencias. Para un filtro de paso bajo, la ganancia en la frecuencia de corte debe ser de -3db. Para este circuito, el corte debe ocurrir a 40 Hz. Las frecuencias por debajo de 40 Hz deben tener poca o ninguna atenuación en su forma de onda, pero a medida que la frecuencia aumenta por encima de los 40 Hz, la ganancia debe continuar disminuyendo.

Paso 5: Montaje de las etapas del circuito

Una vez que haya construido cada etapa del circuito y las haya probado de forma independiente, puede conectarlas todas. La salida del amplificador de instrumentación debe conectarse a la entrada del filtro de muesca. La salida del filtro de muesca debe conectarse a la entrada del filtro de paso bajo.

Para probar el circuito, conecte la entrada del generador de funciones a la entrada de la etapa del amplificador de instrumentación. Observe la entrada y salida del circuito en un osciloscopio. Puede probar con una onda de ECG preprogramada del generador de funciones o con una onda sinusoidal y observar los efectos de su circuito. En la imagen del osciloscopio anterior, la curva amarilla es la forma de onda de entrada y la curva verde es la salida.

Una vez que haya conectado todas las etapas de su circuito y haya demostrado que funciona correctamente, puede conectar la salida de su circuito a la placa DAQ y comenzar a programar en LabVIEW.

Paso 6: Programa LabVIEW

El código de LabVIEW es para detectar los latidos por metro de una onda de ECG simulada a diferentes frecuencias. Para programar en LabVIEW, primero debe identificar todos los componentes. Un convertidor de analógico a digital, también conocido como placa de adquisición de datos (DAQ), debe configurarse y configurarse para que funcione de forma continua. La señal de salida del circuito está conectada a la entrada de la placa DAQ. El gráfico de forma de onda en el programa LabVIEW está conectado directamente a la salida del asistente DAQ. La salida de los datos DAQ también va al identificador máximo / mínimo. Luego, la señal pasa por un operador aritmético de multiplicación. El indicador numérico de 0,8 se utiliza para calcular el valor umbral. Cuando la señal excede 0.8 * Máximo, se detecta un pico. Cada vez que se encontraba este valor, se almacenaba en la matriz de índice. Los dos puntos de datos se almacenan en la matriz de índice y se ingresan en el operador aritmético de resta. El cambio en el tiempo se encontró entre estos dos valores. Luego, para calcular la frecuencia cardíaca, 60 se divide por la diferencia de tiempo. Un indicador numérico, que se muestra junto al gráfico de salida, emite la frecuencia cardíaca en latidos por minuto (lpm) de la señal de entrada. Una vez que el programa está configurado, todo debe colocarse dentro de un ciclo while continuo. Las diferentes entradas de frecuencia dan diferentes valores de bpm.

Paso 7: recopile datos de ECG

¡Ahora puede ingresar una señal de ECG simulada en su circuito y registrar datos en su programa de LabVIEW! Cambie la frecuencia y amplitud del ECG simulado para ver cómo afecta eso a los datos registrados. A medida que cambia la frecuencia, debería ver un cambio en la frecuencia cardíaca calculada. ¡Ha diseñado con éxito un ECG y un monitor de frecuencia cardíaca!

Paso 8: Mejoras adicionales

El dispositivo construido funcionará bien para adquirir señales de ECG simuladas. Sin embargo, si desea registrar señales biológicas (asegúrese de seguir las precauciones de seguridad adecuadas), se deben realizar más modificaciones en los circuitos para mejorar la lectura de la señal. Se debe agregar un filtro de paso alto para eliminar la compensación de CC y los artefactos de movimiento de baja frecuencia. La ganancia del amplificador de instrumentación también debe reducirse diez veces para permanecer dentro del rango utilizable para LabVIEW y los amplificadores operacionales.

Fuentes

[1] S. Meek y F. Morris, “Introducción. II - terminología básica”, BMJ, vol. 324, no. 7335, págs. 470-3, febrero de 2002.

[2] Chia-Hung Lin, Funciones de dominio de frecuencia para discriminación de latidos de ECG utilizando clasificador basado en análisis relacional gris, In Computers & Mathematics with Applications, Volumen 55, Número 4, 2008, Páginas 680-690, ISSN 0898-1221, [3] “Filtro de segundo orden | Diseño de filtro de paso bajo de segundo orden ". Tutoriales básicos de electrónica, 9 de septiembre de 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…