Interfaz de usuario virtual de ECG y frecuencia cardíaca: 9 pasos

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

Para este instructable, le mostraremos cómo construir un circuito para recibir su latido cardíaco y mostrarlo en una interfaz de usuario virtual (VUI) con una salida gráfica de su latido cardíaco y su frecuencia cardíaca. Esto requiere una combinación relativamente simple de componentes de circuito y el software LabView para analizar y generar los datos. 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.

Materiales

Circuito:

• Placa de pruebas:
• Resistencias:
• Condensadores:
• Amplificadores operacionales:
• Cables de circuito (incluidos en el enlace de la placa de pruebas)
• Pinzas de cocodrilo
• Acordes de plátano
• Fuente de alimentación de CC Agilent E3631A
• Generador de funciones
• Osciloscopio

LabView:

• Software LabView
• Tablero DAQ
• Cables de circuito
• Entrada analógica aislada
• Generador de funciones

Paso 1: Determine qué filtros y amplificadores utilizar

Para representar una señal de ECG, se diseñaron e implementaron tres etapas diferentes del circuito: un amplificador de instrumentación, un filtro de muesca y un filtro de paso bajo. El amplificador de instrumentación amplifica la señal, ya que cuando se recibe de un sujeto suele ser muy pequeño y difícil de ver y analizar. El filtro de muesca se utiliza para eliminar el ruido a 60 Hz porque una señal de ECG no contiene señales a 60 Hz. Finalmente, el filtro de paso bajo elimina las frecuencias más altas para eliminar el ruido de la señal y, en combinación con el filtro de muesca, solo permite las frecuencias que están representadas en una señal de ECG.

Paso 2: Construya un amplificador de instrumentación y pruébelo

Se requiere que el amplificador tenga una ganancia de 1000 V / V y, como puede verse, el amplificador se compone de dos etapas. Por lo tanto, la ganancia debe distribuirse uniformemente entre las dos etapas, siendo K1 la ganancia de la primera etapa y K2 la ganancia de la segunda etapa. Determinamos que K1 es 40 y K2 es 25. Estos son valores aceptables debido al hecho de que cuando se multiplican juntos, se obtiene una ganancia de 1000 V / V, 40 x 25 = 1000, y son de cantidad comparable, con un varianza de 15 V / V. Usando estos valores para la ganancia, se pueden calcular las resistencias adecuadas. Las siguientes ecuaciones se utilizan para estos cálculos:

Ganancia de la etapa 1: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Ganancia de la etapa 2: K2 = -R4R3 (2)

Elegimos arbitrariamente un valor de R1, en este caso era 1 kΩ, y luego resolvimos el valor de R2. Conectando esos valores anteriores en la ecuación para la ganancia de la etapa 1, obtenemos:

40 = 1 + 2R2 * 1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Es importante asegurarse de que al elegir las resistencias, estén en el rango de kOhm debido a la regla general de que cuanto más grande es la resistencia, más potencia se puede disipar de forma segura sin sufrir daños. Si la resistencia es demasiado pequeña y hay una corriente demasiado grande, se dañará la resistencia y, además, el circuito en sí no podrá funcionar. Siguiendo el mismo protocolo para la etapa 2, elegimos arbitrariamente un valor de R3, 1 kΩ, y luego resolvimos para R4. Conectando los valores anteriores en la ecuación para la ganancia de la etapa 2, obtenemos: 25 = -R4 * 1000 ⇒R4 = 25000 Ω

El signo negativo se niega ya que las resistencias no pueden ser negativas. Una vez que tenga estos valores, construya el siguiente circuito ilustrado. ¡Entonces pruébalo!

La fuente de alimentación de CC Agilent E3631A alimenta los amplificadores operacionales con una salida de +15 V y -15 V que van a los pines 4 y 7. Configure el generador de funciones para que emita una forma de onda cardíaca con una frecuencia de 1 kHz, un Vpp de 12,7 mV, y un desplazamiento de 0 V. Esta entrada debe estar en el pin 3 de los amplificadores operacionales en la primera etapa del circuito. La salida del amplificador, procedente del pin 6 del amplificador operacional de la segunda etapa, se muestra en el canal 1 del osciloscopio y se mide y registra el voltaje pico a pico. Para garantizar que el amplificador de instrumentación tenga una ganancia de al menos 1000 V / V, el voltaje pico a pico debe ser de al menos 12,7 V.

Paso 3: construya el filtro Notch y pruébelo

Se requiere el filtro de muesca para eliminar el ruido de 60 Hz de la bioseñal. Además de este requisito, debido a que este filtro no necesita incluir ninguna amplificación adicional, el factor de calidad se establece en 1. Al igual que con el amplificador de instrumentación, primero determinamos los valores para R1, R2, R3 y C utilizando el siguiente diseño ecuaciones para un filtro de muesca: R1 = 1 / (2Q⍵0C)

R2 = 2Q / (⍵0C)

R3 = R1R / (2R1 + R2)

Q = ⍵0 / β

β = ⍵c2 -⍵c1

Donde Q = factor de calidad

⍵0 = 2πf0 = frecuencia central en rad / seg

f0 = frecuencia central en Hz

β = ancho de banda en rad / seg

⍵c1, ⍵c2 = frecuencias de corte (rad / seg)

Elegimos arbitrariamente un valor de C, en este caso era de 0,15 µF, y luego resolvimos posteriormente para el valor de R1. Conectando los valores anteriores enumerados del factor de calidad, la frecuencia central y la capacitancia, obtenemos:

R1 = 1 / (2 (1) (2π60) (0,15x10-6)) = 1105,25 Ω

Como se mencionó anteriormente al discutir el diseño del amplificador de instrumentación, aún es importante asegurarse de que, al resolver las resistencias, estén en el rango de kOhmios para que no se dañe el circuito. Si al resolver las resistencias, una es demasiado pequeña, se debe modificar un valor, como la capacitancia, para evitar que esto ocurra. De manera similar a resolver la ecuación para R1, R2 y R3 se pueden resolver:

R2 = 2 (1) / [(2π60) (0,15x10-6)] = 289,9 kΩ

R3 = (1105,25) (289,9x103) / [(1105,25) + (289,9x103)] = 1095,84 Ω

Además, resuelva el ancho de banda para tenerlo como valor teórico para compararlo con el valor experimental más adelante:

1 = (2π60) / β⇒β = 47,12 rad / seg

Una vez que conozca los valores de resistencia, construya el circuito en la placa de pruebas.

Solo esta etapa del circuito debe probarse en este punto, por lo que no debe conectarse al amplificador de instrumentación. La fuente de alimentación de CC Agilent E3631A se utiliza para alimentar el amplificador operacional con una salida de +15 V y -15 V en las clavijas 4 y 7. El generador de funciones está configurado para generar una forma de onda sinusoidal con una frecuencia inicial de 10 Hz, una Vpp de 1 V y un desplazamiento de 0 V. La entrada positiva debe conectarse a R1 y la entrada negativa debe conectarse a tierra. La entrada también debe conectarse al canal 1 del osciloscopio. La salida del filtro de muesca, procedente del pin 6 del amplificador operacional, se muestra en el canal 2 del osciloscopio. Un barrido de CA se mide y registra variando la frecuencia de 10 Hz a 100 Hz. La frecuencia se puede incrementar en incrementos de 10 Hz hasta alcanzar una frecuencia de 50. Luego se utilizan incrementos de 2 Hz hasta 59 Hz. Una vez que se alcanzan los 59 Hz, deben tomarse incrementos de 0,1 Hz. Luego, una vez alcanzados los 60 Hz, los incrementos se pueden volver a aumentar. Se registrarán la relación Vout / Vin y el ángulo de fase. Si la relación Vout / Vin no es menor o igual a -20 dB a 60 Hz, los valores de resistencia deben modificarse para garantizar esta relación. A partir de estos datos, se construye una gráfica de respuesta de frecuencia y una gráfica de respuesta de fase. La respuesta de frecuencia debería verse así en el gráfico, lo que demuestra que se eliminan las frecuencias de alrededor de 60Hz, ¡que es lo que quieres!

Paso 4: cree un filtro de paso bajo y pruébelo

La frecuencia de corte del filtro de paso bajo se determina como 150 Hz. Se eligió este valor porque desea conservar todas las frecuencias presentes en el ECG mientras se elimina el exceso de ruido, que se encuentra específicamente en frecuencias más altas. La frecuencia de la onda T se encuentra en el rango de 0 a 10 Hz, la onda P en el rango de 5 a 30 Hz y el complejo QRS en el rango de 8 a 50 Hz. Sin embargo, la conducción ventricular anormal se caracteriza por frecuencias más altas, típicamente por encima de 70 Hz. Por lo tanto, se eligió 150 Hz como frecuencia de corte para garantizar que podamos capturar todas las frecuencias, incluso las frecuencias más altas, mientras se corta el ruido de alta frecuencia. Además de la frecuencia de corte de 150 Hz, el factor de calidad, K, se establece en 1 porque no se requiere más amplificación. Primero determinamos los valores para R1, R2, R3, R4, C1 y C2 usando las siguientes ecuaciones de diseño para un filtro de paso bajo:

R1 = 2 / [⍵c [aC2 + sqrt ([a ^ 2 + 4b (K -1)] C2 ^ 2 - 4bC1C2)]

R2 = 1 / [bC1C2R1⍵c ^ 2]

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

R4 = K (R1 + R2)

C2 alrededor de 10 / fc uF

C1 <C2 [a2 + 4b (K -1)] 4b

Donde K = ganancia

⍵c = frecuencia de corte (rad / seg)

fc = frecuencia de corte (Hz)

a = coeficiente de filtro = 1.414214

b = coeficiente de filtro = 1

Debido a que la ganancia es 1, R3 se reemplaza por un circuito abierto y R4 se reemplaza por un cortocircuito que lo convierte en un seguidor de voltaje. Por lo tanto, esos valores no tienen que resolverse. Primero resolvimos el valor de C2. Conectando los valores anteriores en esa ecuación, obtenemos:

C2 = 10/150 uF = 0.047 uF

Entonces, C1 se puede resolver usando el valor de C2.

C1 <(0.047x10 ^ -6) [1.414214 ^ 2 + 4 (1) (1 -1)] / 4 (1)

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

Una vez que se han resuelto los valores de capacitancia, R1 y R2 se pueden calcular de la siguiente manera:

R1 = 2 (2π150) [(1.414214) (0.047x10-6) + ([1.4142142 + 4 (1) (1 -1)] 0.047x10-6) 2-4 (1) (0.022x10-6) (0.047 x10-6))] R1 = 25486,92 Ω

R2 = 1 (1) (0.022x10-6) (0.047x10-6) (25486.92) (2π150) 2 = 42718.89 Ω

Con las resistencias adecuadas, construya el circuito que se ve en el diagrama del circuito.

Esta es la última etapa del diseño general y debe construirse en la placa de pruebas directamente a la izquierda del filtro de muesca con la salida del filtro de muesca y el voltaje de entrada para el filtro de paso bajo. Este circuito se construirá utilizando la misma placa de pruebas que antes, con las resistencias y capacitancias calculadas correctamente y un amplificador operacional. Una vez que se construye el circuito utilizando el diagrama de circuito de la figura 3, se prueba. Solo esta etapa debe probarse en este punto, por lo que no debe conectarse ni al amplificador de instrumentación ni al filtro de muesca. Por lo tanto, la fuente de alimentación de CC Agilent E3631A se utiliza para alimentar el amplificador operacional con una salida de +15 y -15 V que van a los pines 4 y 7. El generador de funciones está configurado para generar una forma de onda sinusoidal con una frecuencia inicial de 10 Hz, un Vpp de 1 V y un desplazamiento de 0 V. La entrada positiva debe conectarse a R1 y la entrada negativa debe conectarse a tierra. La entrada también debe conectarse al canal 1 del osciloscopio. La salida del filtro de muesca, procedente del pin 6 del amplificador operacional, se muestra en el canal 2 del osciloscopio. Un barrido de CA se mide y registra variando la frecuencia de 10 Hz a 300 Hz. La frecuencia se puede aumentar en incrementos de 10 Hz hasta alcanzar la frecuencia de corte de 150 Hz. Luego, la frecuencia debe incrementarse en 5 Hz hasta llegar a 250 Hz. Se pueden usar incrementos más altos de 10 Hz para finalizar el barrido. Se registra la relación Vout / Vin y el ángulo de fase. Si la frecuencia de corte no es 150 Hz, entonces los valores de resistencia deben modificarse para garantizar que este valor sea de hecho la frecuencia de corte. El gráfico de respuesta de frecuencia debe parecerse a la imagen en la que puede ver que la frecuencia de corte es de alrededor de 150 Hz.

Paso 5: combine los 3 componentes y simule el electrocardiograma (ECG)

Conecte las tres etapas agregando un cable entre el último componente del circuito del componente anterior al comienzo del siguiente componente. El circuito completo se ve en el diagrama.

Usando el generador de funciones, simule otra señal de ECG si los componentes se construyeron y conectaron correctamente, su salida en el osciloscopio debería verse así en la imagen.

Paso 6: Configurar la placa DAQ

Por encima de la placa DAQ se puede ver. Conéctelo a la parte posterior de la computadora para encenderlo y coloque la Entrada Analógica Aislada en el canal 8 de la placa (ACH 0/8). Inserte dos cables en los orificios etiquetados como "1" y "2" de la entrada analógica aislada. Configure el generador de funciones para que emita una señal de ECG de 1 Hz con un Vpp de 500 mV y una compensación de 0 V. Conecte la salida del generador de funciones a los cables colocados en la entrada analógica aislada.

Paso 7: Abra LabView, cree un nuevo proyecto y configure el DAQ Assistant

Abra el software LabView y cree un nuevo proyecto y abra un nuevo VI en el menú desplegable de archivos. Haga clic derecho en la página para abrir una ventana de componente. Busque "DAQ Assistant Input" y arrástrelo a la pantalla. Esto abrirá automáticamente la primera ventana.

Seleccione Adquirir señales> Entrada analógica> Voltaje. Esto abrirá la segunda ventana.

Seleccione ai8 porque puso su entrada analógica aislada en el canal 8. Seleccione Finalizar para abrir la última ventana.

Cambie el modo de adquisición a muestras continuas, las muestras para leer a 2k y la velocidad a 1kHz. Luego seleccione Ejecutar en la parte superior de su ventana y debería aparecer una salida como la que se ve arriba. Si la señal de ECG está invertida, simplemente cambie las conexiones del generador de funciones a la placa DAQ. ¡Esto muestra que está adquiriendo correctamente una señal de ECG! (¡Yay!) ¡Ahora necesitas codificarlo para analizarlo!

Paso 8: Codifique LabView para analizar los componentes de la señal de ECG y calcular el latido del corazón

Utilice los símbolos de la imagen en LabView

Ya ha colocado el DAQ Assistant. El DAQ Assistant toma la señal de entrada, que es una señal de voltaje analógica, ya sea simulada por un generador de funciones o recibida directamente de una persona conectada a electrodos colocados apropiadamente. Luego toma esta señal y la ejecuta a través de un convertidor A / D con muestreo continuo y parámetros de 2000 muestras para leer, una frecuencia de muestreo de 1 kHz y con valores de voltaje máximo y mínimo de 10 V y -10 V respectivamente. A continuación, esta señal adquirida se emite en un gráfico para que pueda verse visualmente. También toma esta forma de onda convertida y agrega 5, para asegurarse de que representa un desplazamiento negativo y luego se multiplica por 200 para hacer que los picos sean más distintos, más grandes y más fáciles de analizar. Luego determina el valor máximo y mínimo de la forma de onda dentro de la ventana dada de 2.5 segundos a través del operando máximo / mínimo. El valor máximo calculado debe multiplicarse por un porcentaje que se puede cambiar, pero generalmente es del 90% (0,9). A continuación, este valor se suma al valor mínimo y se envía al operando de detección de picos como umbral. Como resultado, cada punto del gráfico de forma de onda que excede este umbral se define como un pico y se guarda como una matriz de picos en el operador del detector de picos. Esta matriz de picos se envía luego a dos funciones diferentes. Una de estas funciones recibe tanto la matriz de picos como la salida de forma de onda del operador de valor máximo. Dentro de esta función, dt, estas dos entradas se convierten en un valor de tiempo para cada uno de los picos. La segunda función consta de dos operadores de índice que toman las salidas de ubicación de la función de detección de picos y las indexan por separado para obtener las ubicaciones del 0º pico y el 1º pico. La diferencia entre estas dos ubicaciones se calcula mediante el operador menos y luego se multiplica por los valores de tiempo obtenidos de la función dt. Esto genera el período o el tiempo entre dos picos en segundos. Por definición, 60 dividido por el período da BPM. Luego, este valor se ejecuta a través de un operando absoluto para asegurarse de que la salida sea siempre positiva y luego se redondea al número entero más cercano. Este es el paso final para calcular y finalmente generar la frecuencia cardíaca en la misma pantalla que la salida de la forma de onda. Como final, así es como debería verse el diagrama de bloques en la primera imagen.

Después de completar el diagrama de bloques, si ejecuta el programa, debería obtener la salida en la imagen.

Paso 9: combine el circuito y los componentes de LabView y conéctese a una persona real

¡Ahora viene la parte divertida! Combinando su hermoso circuito y el programa LabView para adquirir un ECG real y calcular su frecuencia cardíaca. Para modificar el circuito para que cumpla con un humano y produzca una señal viable, la ganancia del amplificador de instrumentación debe reducirse a una ganancia de 100. Esto se debe al hecho de que cuando se conecta a una persona, hay un desplazamiento que luego satura el amplificador operacional. Al reducir la ganancia, esto reducirá este problema. Primero, la ganancia de la primera etapa del amplificador de instrumentación se modifica a una ganancia de 4, de modo que la ganancia total sea 100. Luego, usando la ecuación 1, R2 se establece en 19.5 kΩ y R1 se encuentra de la siguiente manera:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 kΩ Luego, el amplificador de instrumentación se modifica cambiando la resistencia de R1 a 13 kΩ como se muestra en el paso 2 en el tablero construido previamente. Todo el circuito está conectado y el circuito se puede probar con LabView. La fuente de alimentación de CC Agilent E3631A alimenta los amplificadores operacionales con una salida de +15 V y -15 V que van a las clavijas 4 y 7. Los electrodos de ECG se conectan al sujeto con el cable positivo (G1) que va al tobillo izquierdo, el el cable negativo (G2) va a la muñeca derecha y el suelo (COM) al tobillo derecho. La entrada humana debe estar en el pin 3 de los amplificadores operacionales en la primera etapa del circuito con el cable positivo conectado al pin 3 del primer amplificador operacional y el cable negativo conectado al pin 3 del segundo amplificador operacional. El suelo se conecta al suelo de la placa de pruebas. La salida del amplificador, procedente del pin 6 del filtro de paso bajo, está conectada a la placa DAQ. Asegúrese de estar muy quieto y silencioso y debería obtener una salida en LabView similar a la de la imagen.

Obviamente, esta señal es mucho más ruidosa que la señal perfecta simulada por el generador de funciones. Como resultado, su frecuencia cardíaca aumentará mucho, pero debería fluctuar en un rango de 60 a 90 BPM. ¡Y ahí lo tienes! ¡Una forma divertida de medir nuestro propio ritmo cardíaco construyendo un circuito y codificando algún software!