Monitor de ECG: 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 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.

La electrocardiografía es el proceso de registrar señales eléctricas generadas por el corazón de un paciente para obtener información sobre la actividad del corazón. Para que la señal eléctrica se capture de manera eficaz, debe filtrarse y amplificarse a través de componentes eléctricos. La información también debe presentarse al usuario de manera clara y eficaz.

El siguiente Instructable describe cómo construir los circuitos de amplificación / filtrado, así como una interfaz de usuario. Implica construir un amplificador de instrumentación, un filtro de muesca, un filtro de paso bajo y una interfaz de usuario en LabVIEW.

El primer paso del proceso es definir los requisitos del circuito analógico. Después de definir los requisitos, se toman decisiones sobre qué componentes primarios constituirán el circuito. Más tarde, se abordan detalles más pequeños sobre las características de estos componentes principales y, finalmente, la fase de diseño del circuito se concluye definiendo los valores exactos de cada resistencia y condensador en el circuito.

Paso 1: Definición de requisitos y componentes primarios

El trabajo del circuito es amplificar la señal de ECG generada por el paciente y filtrar todo el ruido asociado. La señal sin procesar consiste en una forma de onda compleja con una amplitud máxima de aproximadamente 2 mV y componentes de frecuencia en el rango de 100 Hz a 250 Hz en el complejo QRS. Esta es la señal a amplificar y grabar.

Además de esa señal de interés, se produce ruido de varias fuentes. Las fuentes de alimentación generan ruido de 60 Hz y el movimiento del paciente produce artefactos en el rango de menos de 1 Hz. Se introduce más ruido de alta frecuencia a partir de la radiación de fondo y las señales de telecomunicaciones, como los teléfonos móviles y la conexión inalámbrica a Internet. Esta colección de ruido es la señal a filtrar.

El circuito debe primero amplificar la señal sin procesar. Luego debe filtrar el ruido de 60 Hz y cualquier otro ruido por encima de 160 Hz. El filtrado del ruido de baja frecuencia asociado con el movimiento del paciente se considera innecesario, ya que simplemente se le puede indicar al paciente que se quede quieto.

Debido a que la señal se mide como la diferencia de potencial entre dos electrodos ubicados en el paciente, la amplificación se logra mediante el uso de un amplificador de instrumentación. También se podría usar un amplificador de diferencia simple, pero los amplificadores de instrumentación a menudo funcionan mejor en lo que respecta al rechazo de ruido y las tolerancias. El filtrado de 60 Hz se logra mediante el uso de un filtro de muesca, y el resto del filtrado de alta frecuencia se logra mediante el uso de un filtro de paso bajo. Estos tres elementos forman todo el circuito analógico.

Conociendo los tres elementos del circuito, se pueden definir detalles más pequeños con respecto a las ganancias, las frecuencias de corte y los anchos de banda de los componentes.

El amplificador de instrumentación se ajustará a una ganancia de 670. Esto es lo suficientemente grande como para registrar una pequeña señal de ECG, pero también lo suficientemente pequeño como para garantizar que los amplificadores operacionales se comporten dentro de su rango lineal al probar el circuito con señales cercanas a 20 mV, como es el mínimo en algunos generadores de funciones.

El filtro de muesca se centrará en 60 Hz.

El filtro de paso bajo tendrá una frecuencia de corte de 160 Hz. Esto debería capturar la mayor parte del complejo QRS y rechazar el ruido de fondo de alta frecuencia.

Paso 2: Amplificador de instrumentación

Los esquemas anteriores describen el amplificador de instrumentación.

El amplificador tiene dos etapas. La primera etapa consta de los dos amplificadores operacionales a la izquierda de las imágenes de arriba, y la segunda etapa consta del amplificador operacional único a la derecha. La ganancia de cada uno de estos se puede modular como se desee, pero hemos decidido construirlo con una ganancia de 670 V / V. Esto se puede lograr con los siguientes valores de resistencia:

R1: 100 ohmios

R2: 3300 ohmios

R3: 100 ohmios

R4: 1000 ohmios

Paso 3: filtro de muesca

Los esquemas anteriores describen el filtro de muesca. Este es un filtro activo, por lo que podríamos optar por hacerlo amplificar o atenuar una señal si quisiéramos, pero ya logramos toda la amplificación necesaria, por lo que elegimos una ganancia de uno para este amplificador operacional. La frecuencia central debe ser de 60 Hz y el factor de calidad debe ser 8. Esto se puede lograr con los siguientes valores de componentes:

R1: 503 ohmios

R2: 128612 ohmios

R3: 503 ohmios

C: 0,33 microFarads

Paso 4: filtro de paso bajo

Nuevamente, este es un filtro activo, por lo que podríamos elegir cualquier ganancia que queramos, pero elegiremos 1. Esto se logra convirtiendo R4 arriba en un cortocircuito y R3 en un circuito abierto. El resto, al igual que con los otros componentes, se logra mediante el uso de nuestros requisitos previamente definidos en combinación con las ecuaciones que gobiernan los circuitos para obtener los valores de los elementos individuales:

R1: 12056 ohmios

R2: 19873,6 ohmios

C1: 0.047 microFarads

C2: 0,1 microFarads

Paso 5: Diseñe virtualmente el circuito completo

Diseñar un circuito en un software de construcción de circuitos virtuales como PSPICE puede ser muy útil para detectar errores y solidificar planes antes de pasar a la fabricación de circuitos analógicos reales. En este punto, uno puede capturar barridos de CA del circuito para asegurarse de que todo se comporte de acuerdo con el plan.

Paso 6: Construya el circuito completo

El circuito se puede construir de la manera que desee, pero se eligió una placa de pruebas para este caso.

Se recomienda ensamblar en una placa de pruebas porque es más fácil que soldar, pero soldar daría más durabilidad. También se recomienda colocar un condensador de derivación de 0,1 microFaradios a tierra en paralelo con la fuente de alimentación, ya que esto ayuda a eliminar las desviaciones no deseadas de la potencia constante.

Paso 7: Interfaz de usuario de LabVIEW

La interfaz de usuario de LabVIEW es un medio para convertir de señales analógicas a representaciones visuales y numéricas de la señal de ECG que son fáciles de interpretar por el usuario. Se utiliza una placa DAQ para convertir la señal de analógica a digital y los datos se importan a LabVIEW.

El software es un programa basado en objetos que ayuda en el procesamiento de datos y la creación de interfaces. Los datos se representan primero visualmente mediante el gráfico y luego se realiza algún procesamiento de señal para determinar la frecuencia de los latidos del corazón para que pueda mostrarse junto al gráfico.

Para determinar la frecuencia cardíaca, se deben detectar los latidos del corazón. Esto se puede lograr con el objeto de detección de picos de Lab VIEW. El objeto genera los índices de picos en la matriz de datos recibidos, que luego se pueden usar en cálculos para determinar el tiempo que pasa entre latidos.

Debido a que los detalles de LabVIEW serían un Instructable completamente diferente, dejaremos los detalles a otra fuente. El funcionamiento exacto del programa se puede ver en el diagrama de bloques presentado anteriormente.

Paso 8: Interfaz de usuario final de LabVIEW

La interfaz de usuario final muestra una señal amplificada, filtrada, convertida y procesada junto con una lectura de frecuencia cardíaca en latidos por minuto.