ECG y monitor de frecuencia cardíaca: 7 pasos (con imágenes)

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.

Una de las herramientas de diagnóstico más importantes que se utilizan para detectar estas afecciones es el electrocardiograma (ECG). Un electrocardiograma funciona rastreando el impulso eléctrico a través de su corazón y transmitiéndolo de regreso a la máquina [1]. La señal se capta de los electrodos colocados en el cuerpo. La colocación de los electrodos es crucial para captar las señales fisiológicas, ya que funcionan registrando la diferencia de potencial en todo el cuerpo. La colocación estándar de electrodos es utilizar el triángulo de Einthoven. Aquí es donde se coloca un electrodo en el brazo derecho, el brazo izquierdo y la pierna izquierda. La pierna izquierda actúa como tierra para los electrodos y capta el ruido de frecuencia en el cuerpo. El brazo derecho tiene un electrodo negativo y el izquierdo tiene un electrodo positivo para calcular la diferencia de potencial a través del pecho y, por lo tanto, recoger la energía eléctrica del corazón [2]. El objetivo de este proyecto era crear un dispositivo que pudiera adquirir con éxito una señal de ECG y reproducir claramente la señal sin ruido y con la adición de una medición de frecuencia cardíaca.

Paso 1: Materiales y herramientas

• Varias resistencias y condensadores
• Tablero de circuitos
• Generador de funciones
• Osciloscopio
• Fuente de alimentación DC
• Amplificadores operacionales
• Computadora con LABView instalado
• Cables BNC
• Asistente de DAQ

Paso 2: Construya el amplificador de instrumentación

Para amplificar adecuadamente la señal bioeléctrica, la ganancia total del amplificador de instrumentación de dos etapas debe ser 1000. Cada etapa se multiplica para obtener la ganancia general y las ecuaciones utilizadas para calcular las etapas individuales se muestran a continuación.

Ganancia de la etapa 1: K1 = 1 + 2 * R2 / R1 Ganancia de la etapa 2: K2 = -R4 / R3

Usando las ecuaciones anteriores, los valores de resistencia que utilizamos fueron R1 = 10kΩ, R2 = 150kΩ, R3 = 10kΩ y R4 = 33kΩ. Para asegurarse de que estos valores proporcionarán la salida deseada, puede simularlos en línea o puede probarlos con un osciloscopio después de construir el amplificador físico.

Después de conectar las resistencias seleccionadas y los amplificadores operacionales en la placa de prueba, deberá alimentar los amplificadores operacionales ± 15 V desde una fuente de alimentación de CC. A continuación, conecte el generador de funciones a la entrada del amplificador de instrumentación y el osciloscopio a la salida.

La foto de arriba muestra que el amplificador de instrumentación completo se verá como en la placa de pruebas. Para comprobar que funciona correctamente, configure el generador de funciones para que produzca una onda sinusoidal a 1 kHz con una amplitud de pico a pico de 20 mV. La salida del amplificador en el osciloscopio debe tener una amplitud de pico a pico de 20 V, ya que hay una ganancia de 1000, si funciona correctamente.

Paso 3: Construya un filtro de muesca

Debido al ruido de la línea eléctrica, se necesitaba un filtro para filtrar el ruido a 60 Hz, que es el ruido de la línea eléctrica en los Estados Unidos. Se utilizó un filtro de muesca ya que filtra una frecuencia específica. Se utilizaron las siguientes ecuaciones para calcular los valores de la resistencia. Un factor cualitativo (Q) de 8 funcionó bien y se eligieron valores de condensador de 0,1 uF para facilitar la construcción. La frecuencia en las ecuaciones (representada como w) es la frecuencia de muesca de 60 Hz multiplicada por 2π.

R1 = 1 / (2QwC)

R2 = 2Q / (wC)

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

Usando las ecuaciones anteriores, los valores de resistencia que utilizamos fueron R1 = 1.5kΩ, R2 = 470kΩ y R3 = 1.5kΩ. Para asegurarse de que estos valores proporcionarán la salida deseada, puede simularlos en línea o puede probarlos con un osciloscopio después de construir el amplificador físico.

La imagen de arriba muestra cómo se verá el filtro de muesca completo en la placa de pruebas. La configuración de los amplificadores operacionales es la misma que la del amplificador de instrumentación y el generador de funciones ahora debe configurarse para producir una onda sinusoidal a 1 kHz con una amplitud de pico a pico de 1V. Si realiza un barrido de CA, debería poder verificar que se filtran las frecuencias de alrededor de 60 Hz.

Paso 4: construya un filtro de paso bajo

Para filtrar el ruido de alta frecuencia que no está relacionado con el ECG, se creó un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte de 150 Hz.

R1 = 2 / (w [aC2 + sqrt (a2 + 4b (K-1)) C2 ^ 2-4b * C1 * C2)

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

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

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

R4 = K (R1 + R2)

Usando las ecuaciones anteriores, los valores de resistencia que utilizamos fueron R1 = 12kΩ, R2 = 135kΩ, C1 = 0.01 µF y C2 = 0.068 µF. Los valores para R3 y R4 terminaron siendo cero ya que queríamos que la ganancia, K, del filtro fuera cero, por lo tanto, usamos cables en lugar de resistencias aquí en la configuración física. Para asegurarse de que estos valores proporcionarán la salida deseada, puede simularlos en línea o puede probarlos con un osciloscopio después de construir el amplificador físico.

Para construir el filtro físico, conecte las resistencias y condensadores elegidos al amplificador operacional como se muestra en el esquema. Encienda el amplificador operacional y conecte el generador de funciones y el osciloscopio de la misma manera que se describe en los pasos anteriores. Configure el generador de funciones para producir una onda sinusoidal a 150 Hz y con una amplitud pico a pico de aproximadamente 1 V. Dado que 150 Hz debería ser la frecuencia de corte, si el filtro funciona correctamente, la magnitud debería ser 3dB a esta frecuencia. Esto le dirá si el filtro está configurado correctamente.

Paso 5: conecte todos los componentes juntos

Después de construir cada componente y probarlos por separado, todos se pueden conectar en serie. Conecte el generador de funciones a la entrada del amplificador de instrumentación, luego conecte la salida de ese a la entrada del filtro de muesca. Haga esto nuevamente conectando la salida del filtro de muesca a la entrada del filtro de paso bajo. La salida del filtro de paso bajo debe conectarse al osciloscopio.

Paso 6: Configure LabVIEW

A continuación, se capturó la forma de onda de los latidos del corazón del ECG utilizando un asistente DAQ y LabView. Un asistente de DAQ adquiere señales analógicas y define parámetros de muestreo. Conecte el asistente DAQ al generador de funciones que emite una señal cardíaca arb y a la computadora con LabView. Configure LabView de acuerdo con el esquema que se muestra arriba. El asistente DAQ traerá la onda cardíaca del generador de funciones. Agregue el gráfico de forma de onda a su configuración de LabView también para ver el gráfico. Utilice operadores numéricos para establecer un umbral para el valor máximo. En el esquema mostrado se utilizó el 80%. El análisis de picos también debe usarse para encontrar ubicaciones de picos y vincularlas con el cambio en el tiempo. Multiplique la frecuencia máxima por 60 para calcular los latidos por minuto y este número se muestra junto al gráfico.

Paso 7: ¡Ahora puede grabar un ECG

[1] "Electrocardiograma - Centro de información cardíaca del Instituto del Corazón de Texas". [En línea]. Disponible: https://www.texasheart.org/HIC/Topics/Diag/diekg.cfm. [Consultado: 09-Dic-2017].

[2] "Las derivaciones del ECG, la polaridad y el triángulo de Einthoven: el estudiante de fisiólogo". [En línea]. Disponible: https://thephysiologist.org/study-materials/the-ecg-leads-polarity-and-einthovens-triangle/. [Consultado: 10 de diciembre de 2017].