ECG automatizado fácil (1 amplificador, 2 filtros): 7 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Um eletrocardiograma (ECG) mede e exibe a atividade elétrica do coração usando diferentes eletrodos colocados na pele. Um ECG pode ser criado usando um amplificador de instrumentação, filtro notch e filtro passa-baixo. Por último, o sinal filtrado e amplificado pode ser visualizado usando o software LabView. O LabView também usa a frequência de entrada do sinal para calcular o batimento cardíaco do sujeito humano. O amplificador de instrumentação construído teve sucesso em pegar o pequeno sinal do corpo e amplificá-lo para 1 V, para que pudesse ser visualizado no computador usando o LabView. Os filtros notch e low pass tiveram sucesso em reduzir o ruído de 60 Hz das fontes de alimentação e interferir nos sinais acima de 350 Hz. O batimento cardíaco em repouso foi medido em 75 bpm e 137 bpm após cinco minutos de exercício intenso. O ECG construído foi capaz de medir os batimentos cardíacos em valores realistas e visualizar os diferentes componentes de uma forma de onda típica de ECG. No futuro, este ECG poderia ser melhorado alterando os valores passivos no filtro de entalhe para reduzir mais ruído em torno de 60 Hz.

Etapa 1: crie o amplificador de instrumentação

Você precisará de: LTSpice (ou outro software de visualização de circuito)

O amplificador de instrumentação foi criado para aumentar o tamanho do sinal de forma que fique visível e permita a análise da forma de onda.

Usando R1 = 3,3k ohms, R2 = 33k ohms, R3 = 1k ohms, R4 = 48 ohms, um ganho de X é alcançado. Ganho = - R4 / R3 (1 + R2 / R1) = -47k / 1k (1- (33k / 3,3k)) = -1008

Como no amplificador operacional final o sinal vai para o pino de inversão, o ganho é 1008. Este projeto foi criado no LTSpice e então simulado com uma varredura AC de 1 a 1kHz com 100 pontos por década para uma entrada de onda senoidal com amplitude AC de 1V.

Verificamos se nosso ganho era semelhante ao ganho pretendido. No gráfico, encontramos Ganho = 10 ^ (60/20) = 1000, que é suficientemente próximo do nosso ganho pretendido de 1008.

Etapa 2: Criar o Filtro Notch

Você precisará de: LTSpice (ou outro software de visualização de circuito)

Um filtro notch é um tipo específico de filtro passa-baixo seguido por um filtro passa-alto para eliminar uma frequência específica. Um filtro notch é usado para eliminar o ruído produzido por todos os dispositivos eletrônicos presentes em 60Hz.

Os valores passivos foram calculados: C =.1 uF (o valor foi escolhido) 2C =.2 uF (capacitor usado.22 uF)

O fator AQ de 8 será usado: R1 = 1 / (2 * Q * 2 * pi * f * C) = 1 / (2 * 8 * 2 * 3,14159 * 60 *.1E-6) = 1,66 kOhm (1,8 kOhm foi usado) R2 = 2Q / (2 * pi * f * C) = (2 * 8) / (60 Hz * 2 * 3,14159 *.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm foi usado) Divisão de tensão: Rf = R1 * R2 / (R1 + R2) = 1,8 kOhm * 423 kOhm / (1,8 kOhm + 423 kOhm) = 1,79 kOhm (1,8 kOhm foi usado)

Este projeto de filtro tem um ganho de 1, o que significa que não há propriedades de amplificação.

Conectar os valores passivos e simular no LTSpice com uma varredura CA e um sinal de entrada de onda senoidal de 0,1 V com uma frequência CA de 1 kHz resulta no gráfico de bode anexado.

Em uma frequência de cerca de 60 Hz, o sinal atinge sua tensão mais baixa. O filtro consegue remover o ruído de 60 Hz para uma tensão imperceptível de 0,01 V e fornecer um ganho de 1, uma vez que a tensão de entrada é 0,1 V.

Etapa 3: Crie o filtro passa-baixa

Você precisará de: LTSpice (ou outro software de visualização de circuito)

Um filtro passa-baixo foi criado para remover os sinais acima do limite de interesse que conteria o sinal de ECG. O limite de interesse estava entre 0 - 350 Hz.

O valor do capacitor foi escolhido como sendo 0,1 uF. A resistência necessária é calculada para uma alta frequência de corte de 335 Hz: C = 0,1 uF R = 1 / (2pi * 0,1 * (10 ^ -6) * 335 Hz) = 4,75 kOhm (4,7 kOhm foi usado)

Conectar os valores passivos e simular no LTSpice com uma varredura CA e um sinal de entrada de onda senoidal de 0,1 V com uma frequência CA de 1 kHz resulta no gráfico de bode anexado.

Etapa 4: Crie o circuito em uma placa de ensaio

Você precisará de: resistores de valores diferentes, capacitores de valores diferentes, amplificadores operacionais UA 471, cabos de jumper, placa de ensaio, cabos de conexão, fonte de alimentação ou bateria de 9 V

Agora que você simulou seu circuito, é hora de construí-lo em uma placa de ensaio. Se você não tem os valores exatos listados, use o que você tem ou combine resistores e capacitores para fazer os valores que você precisa. Lembre-se de alimentar sua placa de pão usando uma bateria de 9 volts ou fonte de alimentação DC. Cada amplificador operacional precisa de uma fonte de tensão positiva e negativa.

Etapa 5: configurar o ambiente LabView

Você precisará de: software LabView, um computador

Para automatizar a exibição da forma de onda e o cálculo da frequência cardíaca, foi utilizado o LabView. LabView é um programa usado para visualizar e analisar dados. A saída do circuito de ECG é a entrada do LabView. Os dados são inseridos, representados graficamente e analisados com base no diagrama de blocos desenhado abaixo.

Primeiro, o DAQ Assistant recebe o sinal analógico do circuito. As instruções de amostragem são configuradas aqui. A taxa de amostragem foi de 1k amostras por segundo e o intervalo foi de 3kms, portanto, o intervalo de tempo visto no Waveform Graph é de 3 segundos. O Waveform Graph recebeu dados do DAQ Assistant e os plota na janela do painel frontal. A seção inferior do diagrama de blocos abrange o cálculo da freqüência cardíaca. Primeiro, o máximo e o mínimo da onda são medidos. Em seguida, essas medições de amplitude são usadas para determinar se estão ocorrendo picos definidos como 95% da amplitude máxima e, em caso afirmativo, o ponto de tempo é registrado. Uma vez que os picos são detectados, a amplitude e o ponto de tempo são armazenados em matrizes. Em seguida, o número de picos / segundos é convertido em minutos e exibido no painel frontal. O painel frontal mostra a forma de onda e as batidas por minuto.

O circuito foi conectado ao LabVIEW por meio de um ADC da National Instruments, conforme mostrado na figura acima. O gerador de função produziu o sinal de ECG simulado que foi inserido no ADC, que transferiu os dados para o LabView para representação gráfica e análise. Além disso, uma vez que o BPM foi calculado no LabVIEW, o indicador numérico foi usado para imprimir esse valor no painel frontal do aplicativo ao lado do gráfico da forma de onda, conforme mostrado na figura 2.

Etapa 6: Teste o circuito usando o gerador de função

Você vai precisar de: circuito na placa de ensaio, cabos de conexão, fonte de alimentação ou bateria de 9 V, National Instruments ADC, Software LabView, um computador

Para testar a instrumentação do LabView, um ECG simulado foi inserido no circuito e a saída do circuito foi conectada ao LabView por meio do ADC da National Instruments. Primeiro, um sinal de 20mVpp a 1 Hz foi inserido no circuito para simular o batimento cardíaco em repouso. O painel frontal do LabView é mostrado na imagem abaixo. As ondas P, T, U e o complexo QRS são todos visíveis. O BMP é calculado corretamente e exibido no indicador numérico. Há um ganho de cerca de 8 V / 0,02 V = 400 através do circuito, que é semelhante ao que vimos quando o circuito foi conectado ao osciloscópio. Uma imagem do resultado no LabView está anexada. Em seguida, para simular um batimento cardíaco elevado, por exemplo, durante o exercício, um sinal de 20mVpp a 2Hz foi enviado ao circuito. Houve um ganho comparável ao teste na freqüência cardíaca de repouso. Abaixo, a forma de onda tem todas as mesmas partes de antes, apenas em uma taxa mais rápida. A frequência cardíaca é calculada e exibida no indicador numérico e vemos os 120 BPM esperados.

Etapa 7: Circuito de teste usando sujeito humano

Você precisará de: circuito na placa de ensaio, cabos de conexão, fonte de alimentação ou bateria de 9 V, National Instruments ADC, Software LabView, um computador, eletrodos (pelo menos três), um sujeito humano

Por último, o circuito estava testando com uma entrada de condutores de ECG de sujeito humano no circuito e a saída do circuito indo para o LabView. Três eletrodos foram colocados em um sujeito para obter um sinal real. Eletrodos foram colocados em ambos os punhos e tornozelo direito. O punho direito foi a entrada positiva, o punho esquerdo foi negativo e o tornozelo foi aterrado. Novamente, os dados foram inseridos no LabView para processamento. A configuração do eletrodo é anexada como uma imagem.

Primeiro, o sinal de ECG em repouso do sujeito foi exibido e analisado. Em repouso, o sujeito apresentava frequência cardíaca de cerca de 75 bpm. O sujeito então participou de intensa atividade física por 5 minutos. O assunto foi reconectado e o sinal elevado foi gravado. A freqüência cardíaca era de aproximadamente 137 bpm após a atividade. Este sinal era menor e tinha mais ruído. Eletrodos foram colocados em ambos os punhos e tornozelo direito. O punho direito foi a entrada positiva, o punho esquerdo foi negativo e o tornozelo foi aterrado. Novamente, os dados foram inseridos no LabView para processamento.

Uma pessoa média tem um sinal de ECG de cerca de 1mV. Nosso ganho esperado era de cerca de 1000, portanto, esperaríamos uma tensão de saída de 1V. A partir da gravação em repouso vista na imagem XX, a amplitude do complexo QRS é aproximadamente (-0,7) - (-1,6) = 0,9 V. Isso produz um erro de 10%. (1-0,9) / 1 * 100 = 10% A freqüência cardíaca em repouso de um humano padrão é 60, a medida foi cerca de 75, isso produz | 60-75 | * 100/60 = erro de 25%. A frequência cardíaca elevada de um humano padrão é 120, a medida foi cerca de 137, isso produz | 120-137 | * 100/120 = erro de 15%.

Parabéns! Agora você construiu seu próprio ECG automatizado.