Registro de señales bioeléctricas: ECG y monitor de frecuencia cardíaca: 7 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.

Un electrocardiograma (ECG) es una prueba en la que se colocan electrodos de superficie en un sujeto de una manera específica para detectar y medir la actividad eléctrica del corazón del sujeto [1]. Un ECG tiene muchos usos y puede funcionar para ayudar en el diagnóstico de afecciones cardíacas, pruebas de esfuerzo y observación durante la cirugía. Un ECG también puede detectar cambios en los latidos cardíacos, arritmias, un ataque cardíaco y muchas otras experiencias y enfermedades [1] también descritas en el enunciado del problema anterior. La señal cardíaca medida por un ECG produce tres formas de onda distintas que representan una señal en vivo del corazón en funcionamiento, que se muestran en la imagen de arriba.

El objetivo de este proyecto es crear un dispositivo que pueda obtener la señal de ECG de un generador de salida o humano y reproducir la señal mientras elimina el ruido. La salida del sistema también calculará el BPM.

¡Empecemos!

Paso 1: Reúna todos los materiales

Para crear este ECG, crearemos un sistema que consta de dos partes principales, el circuito y el sistema LabVIEW. El propósito del circuito es asegurarnos de que recibimos la señal que queremos. Hay mucho ruido ambiental que puede ahogar nuestra señal de ECG, por lo que necesitamos amplificar nuestra señal y filtrar cualquier ruido. Después de que la señal ha sido filtrada y amplificada a través del circuito, podemos enviar la señal refinada a un programa de LabVIEW que mostrará la forma de onda y calculará el BPM. Los siguientes materiales son necesarios para este proyecto:

-Resistor, condensador y amplificador operacional (amplificadores operacionales - se usaron UA741) componentes eléctricos

-Prueba de pruebas sin soldadura para construir y probar

-Fuente de alimentación de CC para proporcionar energía a amplificadores operacionales

-Generador de funciones para suministrar señal bioeléctrica

-Osciloscopio para ver la señal de entrada

-Placa DAQ para convertir la señal de analógica a digital

-Software LabVIEW para la observación de la señal de salida

-Cableos BNC y terminales variables

Paso 2: diseñar el circuito

Como acabamos de comentar, es necesario tanto filtrar como amplificar nuestra señal. Para ello, podemos configurar 3 etapas diferentes de nuestro circuito. Primero, necesitamos amplificar nuestra señal. Esto se puede hacer utilizando un amplificador de instrumentación. De esta forma, nuestra señal de entrada se puede ver mucho mejor en el producto final. Necesitamos entonces tener un filtro de muesca en serie con este amplificador de instrumentación. El filtro de muesca se utilizará para eliminar el ruido de nuestra fuente de alimentación. Después de eso, podemos tener un filtro de paso bajo. Dado que las lecturas de ECG suelen ser de baja frecuencia, queremos cortar todas las frecuencias que están en una frecuencia que está fuera de nuestros límites de lectura de ECG, por lo que utilizamos un filtro de paso bajo. Estas etapas se explican con más detalle en los siguientes pasos.

Si tiene problemas con su circuito, es mejor simular su circuito en un programa en línea. De esta manera, puede verificar si sus cálculos para los valores de resistencia y capacitor son correctos.

Paso 3: diseño del amplificador de instrumentación

Para observar la señal bioeléctrica de manera más eficiente, la señal debe amplificarse. Para este proyecto, ganar para lograr un total es 1000 V / V. Para alcanzar la ganancia especificada del amplificador de instrumentación, los valores de resistencia para el circuito se calcularon mediante las siguientes ecuaciones:

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

(Etapa 2) K2 = -R4 / R3

Donde cada una de las etapas se multiplica para calcular la ganancia total. Los valores de resistencia elegidos para crear una ganancia de 1000 V / V son R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms y R4 = 330 kOhms. Utilice la fuente de alimentación de CC para proporcionar un rango de voltaje de +/- 15 V (manteniendo el límite de corriente bajo) para alimentar los amplificadores operacionales del circuito físico. Si desea verificar los valores verdaderos de las resistencias, o desea lograr esta ganancia antes de construir, puede simular el circuito usando un programa como PSpice o CircuitLab en línea, o usar un osciloscopio con un voltaje de señal de entrada dado y verificar el verdadero ganancia después de construir un amplificador físico. Conecte el generador de funciones y el osciloscopio al amplificador para ejecutar el circuito.

La foto de arriba muestra cómo se ve el circuito en el software de simulación PSpice. Para comprobar que su circuito funciona correctamente, suministre una onda sinusoidal de pico a pico de 1 kHz 10 mV desde el generador de funciones, a través del circuito y al osciloscopio. Se debe observar una onda sinusoidal de 10 V de pico a pico en el osciloscopio.

Paso 4: diseño del filtro de muesca

Un problema específico cuando se trata de este circuito es el hecho de que las líneas de suministro de energía en los Estados Unidos producen una señal de ruido de 60 Hz. Para eliminar este ruido, la señal de entrada en el circuito debe filtrarse a 60 Hz, ¡y qué mejor manera de hacerlo que con un filtro de muesca!

Un filtro de muesca (el circuito que se muestra arriba) es un cierto tipo de filtro eléctrico que se puede usar para eliminar una frecuencia específica de una señal. Para eliminar la señal de 60 Hz, calculamos las siguientes ecuaciones:

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Usando un factor de calidad (Q) de 8 para diseñar un filtro decentemente preciso, una capacitancia (C) de 0.033 uFaradios para un montaje más fácil y una frecuencia central (w) de 2 * pi * 60 Hz. Esto calculó con éxito valores para las resistencias R1 = 5.024 kOhms, R2 = 1.2861 MOhms y R3 = 5.004 kOhms, y creó con éxito un filtro para eliminar una frecuencia de 60 Hz de la señal bioeléctrica de entrada. Si desea verificar el filtro, puede simular el circuito usando un programa como PSpice o CircuitLab en línea, o use un osciloscopio con un voltaje de señal de entrada dado y verifique la señal eliminada después de construir un amplificador físico. Conecte el generador de funciones y el osciloscopio al amplificador para ejecutar el circuito.

Realizar un barrido de CA con este circuito en un rango de frecuencias de 1 Hz a 1 kHz a una señal de pico a pico de 1 V debería producir una característica de tipo "muesca" a 60 Hz en el gráfico de salida, que se elimina de la entrada señal.

Paso 5: diseño del filtro de paso bajo

La etapa final del circuito es el filtro de paso bajo, específicamente un filtro de paso bajo Butterworth de segundo orden. Esto se usa para aislar nuestra señal de ECG. Las formas de onda de ECG suelen estar dentro de los límites de frecuencia de 0 a ~ 100 Hz. Por lo tanto, calculamos nuestros valores de resistencia y condensador en función de la frecuencia de corte de 100 Hz y un factor de calidad de 8, lo que nos daría un filtro relativamente preciso.

R1 = 2 / (w [aC2 + sqrt (a2 + 4b (K-1))

C2 ^ 2-4b * C1 * C2) R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2)

C1 <= C2 [a ^ 2 + 4b (K-1)] / 4b

Los valores que calculamos terminaron siendo R1 = 81.723kOhms, R2 = 120.92kOHms, C1 = 0.1 microFarads y C2 = 0.045 microFarads. Alimente los amplificadores operacionales con un voltaje de CC de + y - 15V. Si desea verificar el filtro, puede simular el circuito usando un programa como PSpice o CircuitLab en línea, o usar un osciloscopio con un voltaje de señal de entrada dado y verificar la señal eliminada después de construir un amplificador físico. Conecte el generador de funciones y el osciloscopio al amplificador para ejecutar el circuito. En la frecuencia de corte, debería ver una magnitud de -3 dB. Esto indica que su circuito está funcionando correctamente.

Paso 6: Configurando LabVIEW

Ahora que se ha creado el circuito, queremos poder interpretar nuestra señal. Para hacer esto, podemos utilizar LabVIEW. Se puede utilizar un asistente de DAQ para adquirir la señal del circuito. Después de abrir LabVIEW, configure el circuito como se muestra en el diagrama de arriba. El asistente de DAQ tomará esta lectura de entrada del circuito y la señal irá al gráfico de forma de onda. ¡Esto le permitirá ver la forma de onda del ECG!

A continuación, queremos calcular el BPM. La configuración anterior hará esto por usted. El programa funciona tomando primero los valores máximos de la señal de ECG entrante. El valor umbral nos permite detectar todos los nuevos valores que van llegando en los que alcanza un porcentaje de nuestro valor máximo (en este caso, el 90%). Las ubicaciones de estos valores se envían luego a la matriz de indexación. Dado que la indexación comienza en 0, queremos tomar el punto 0 y el 1er y calcular el cambio en el tiempo entre ellos. Esto nos da el tiempo entre latidos. Luego extrapolamos esos datos para encontrar el BPM. Específicamente, esto se hace multiplicando la salida del elemento dt y la salida de la resta entre los dos valores en las matrices de indexación, y luego dividiendo por 60 (ya que estamos convirtiendo a minutos).

Paso 7: ¡Conéctelo todo y pruébelo

Conecte el circuito a la entrada de la placa DAQ. Ahora, la señal que ingresa pasará por el circuito a la placa DAQ y el programa LabVIEW generará la forma de onda y el BPM calculado.

¡Felicitaciones!