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

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

Un electrocardiograma, o ECG, es un método muy antiguo para medir y analizar la salud del corazón. La señal que se lee de un ECG puede indicar un corazón sano o una variedad de problemas. Un diseño confiable y preciso es importante porque si la señal del ECG muestra una forma de onda deformada o un latido cardíaco incorrecto, es posible que se diagnostique erróneamente a una persona. El objetivo es diseñar un circuito de ECG que pueda adquirir, amplificar y filtrar la señal de ECG. Luego, convierta esa señal a través de un convertidor A / D en Labview para producir un gráfico en tiempo real y latidos en BPM de la señal de ECG. La forma de onda de salida debería verse como esta imagen.

Esto no es un dispositivo médico. Esto es para fines educativos utilizando únicamente señales simuladas. Si usa 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

Paso 1: diseñar el circuito

El circuito debe ser capaz de adquirir y amplificar una señal de ECG. Para ello, combinaremos tres filtros activos; un amplificador de instrumentación, un filtro de paso bajo Butterworth de segundo orden y un filtro de muesca. El diseño de estos circuitos se puede ver en las imágenes. Los revisaremos uno a la vez, luego los juntaremos para completar el circuito completo.

Paso 2: Amplificador de instrumentación

La ganancia del amplificador de instrumentación debe ser de 1000 V / V para obtener una buena señal. La amplificación a través del amplificador de instrumentación ocurre en dos etapas. La primera etapa consta de los dos amplificadores operacionales de la izquierda y las resistencias R1 y R2 y la segunda etapa de amplificación consta del amplificador operacional de la derecha y las resistencias R3 y R4. La ganancia (amplificación) para la etapa 1 y la etapa 2 se dan en la ecuación (1) y (2).

Ganancia de la etapa 1: K1 = 1 + (2R2 / R1) (1)

Ganancia de la etapa 2: K2 = R4 / R3 (2)

Una nota importante sobre la ganancia en los circuitos es que es multiplicativa; p.ej. la ganancia del circuito general en la Figura 2 es K1 * K2. Estas ecuaciones producen los valores que se muestran en el esquema. Los materiales necesarios para este filtro son tres amplificadores operacionales LM741, tres resistencias de 1 kohm, dos resistencias de 24,7 kohm y dos resistencias de 20 kohm.

Paso 3: filtro de muesca

La siguiente etapa es un filtro de muesca para cortar el ruido a 60 Hz. Esta frecuencia debe cortarse porque hay mucho ruido adicional a 60 Hz debido a la interferencia de la línea eléctrica, pero no eliminará nada significativo de la señal de ECG. Los valores de los componentes utilizados en el circuito se basan en la frecuencia que desea filtrar, en este caso 60 Hz (377 rad / s). Las ecuaciones de los componentes son las siguientes

R1 = 1 / (6032 * C)

R2 = 16 / (377 * C)

R3 = (R1R2) / (R1 + R2)

Los materiales necesarios para ello fueron un amplificador operacional LM741, tres resistencias con valores de 1658 ohmios, 424,4 kohmios y 1651 ohmios y 3 condensadores, dos a 100 nF y uno a 200 nF.

Paso 4: filtro de paso bajo

La etapa final es un filtro de paso bajo Butterworth de segundo orden con una frecuencia de corte de 250 Hz. Esta es la frecuencia de corte porque una señal de ECG solo alcanza un máximo de 250 Hz. Las ecuaciones para los valores de los componentes en el filtro se definen en las siguientes ecuaciones:

R1 = 2 / (1571 (1.4C2 + ordenar (1.4 ^ 2 * C2 ^ 2 - 4C1C2)))

R2 = 1 / (1571 * C1 * C2 * R1)

C1 <(C2 * 1.4 ^ 2) / 4

Los materiales necesarios para este filtro fueron un amplificador operacional LM741, dos resistencias de 15,3 kohm y 25,6 kohm y dos condensadores de 47 nF y 22 nF.

Una vez que las tres etapas estén diseñadas y construidas, el circuito final debería verse como la foto.

Paso 5: prueba del circuito

Una vez construido el circuito, es necesario probarlo para asegurarse de que funciona correctamente. Se debe ejecutar un barrido de CA en cada filtro utilizando una señal de entrada cardíaca a 1 Hz de un generador de voltaje. La respuesta de magnitud en dB debería parecerse a las imágenes. Si los resultados del barrido de CA son correctos, el circuito está terminado y listo para ser utilizado. Si las respuestas no son correctas, es necesario depurar el circuito. Comience por verificar todas las conexiones y entradas de energía para asegurarse de que todo tenga una buena conexión. Si esto no resuelve el problema, use las ecuaciones para los componentes de los filtros para ajustar los valores de resistencias y capacitores según sea necesario hasta que la salida esté donde debería estar.

Paso 6: Creación de una VUI en Labview

Labview es un software de adquisición de datos digitales que permite al usuario diseñar una interfaz de usuario virtual o VUI. Una placa DAQ es un convertidor A / D que puede convertir y transmitir la señal ECG a Labview. Con este software, la señal de ECG se puede trazar en un gráfico de amplitud frente a tiempo para leer claramente la señal y luego convertir la señal en un latido en BPM. Lo primero que se requiere para esto es una placa DAQ que adquiere datos y los convierte en una señal digital para enviar a Labview en la computadora. Lo primero que debió agregarse al diseño de Labview fue DAQ Assistant, que adquiere la señal de la placa DAQ y define los parámetros de muestreo. El siguiente paso es conectar un gráfico de forma de onda a la salida del asistente DAQ en el diseño VUI que traza la señal de ECG mostrando la forma de onda de ECG. Ahora que el gráfico de forma de onda está completo, los datos también deben convertirse para producir una salida numérica de la frecuencia cardíaca. El primer paso en este cálculo fue encontrar el máximo de los datos de ECG conectando el elemento máximo / mínimo a la salida de los datos DAQ en el VUI, y luego enviarlo a otro elemento llamado detección de picos y a un elemento que encontraría el cambio en el tiempo llamado dt. El elemento de detección de picos también necesitaba un umbral del máximo / mínimo que se calculó tomando el máximo del elemento máximo y mínimo y multiplicándolo por.8, para encontrar el 80% del valor máximo, luego ingresado en el elemento de detección de picos. Este umbral permitió que el elemento de detección de picos encontrara el máximo de la onda R y la ubicación en la que ocurrió el máximo mientras se ignoraban los otros picos de la señal. Las ubicaciones de los picos se enviaron luego a un elemento de matriz de índice agregado a continuación en la VUI. El elemento de la matriz de índice se configuró para almacenar en la matriz con un índice comenzando en 0, y luego otro comenzando con un índice de 1. Luego, estos se restaron entre sí para encontrar la diferencia de las dos ubicaciones de picos, que corresponde al número de puntos entre cada pico. El número de puntos multiplicado por la diferencia de tiempo entre cada punto proporciona el tiempo que tarda en producirse cada latido. Esto se logró multiplicando la salida del elemento dt y la salida de la resta de las dos matrices. Este número se dividió luego por 60, para encontrar los latidos por minuto, y luego se generó utilizando un elemento indicador numérico en el VUI. La configuración del diseño de VUI en Labview se muestra en la Figura.

Paso 7: Ponlo todo junto

Una vez finalizada la VUI en Labview, el paso final es conectar el circuito a la placa DAQ, de modo que la señal pase a través del circuito, a la placa y luego a Labview. Si todo funciona correctamente, una señal de 1 Hz debería producir la forma de onda que se muestra en la figura y un latido de 60 latidos por minuto. Ahora tiene un ECG y un monitor digital de frecuencia cardíaca en funcionamiento.