Faça seu próprio eletrocardiograma (ECG): 6 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

PERCEBER:

Este não é um dispositivo médico. Isso é apenas para fins educacionais, usando sinais simulados. Se estiver usando este circuito para medições reais de ECG, certifique-se de que o circuito e as conexões do circuito ao instrumento estejam utilizando a energia da bateria e outras técnicas de isolamento adequadas.

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Etapa 1: Conheça suas coisas

O eletrocardiograma (ECG) é uma importante ferramenta utilizada pelos médicos para monitorar a atividade elétrica do coração. É útil na captura de tudo, desde ritmos cardíacos anormais ao diagnóstico de falha de calor. Seguindo este Instructable, você será capaz de construir um dispositivo que exibe o eletrocardiograma de uma pessoa usando apenas habilidades básicas de breadboard e equipamento de laboratório de eletrônica geral. Assim que tiver uma boa saída de sinal, você pode usar esse mesmo sinal para calcular a freqüência cardíaca ou outra métrica interessante usando um microcontrolador.

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Se você não sabe o que é um ECG, é simplesmente um registro da atividade do coração. Devido à natureza elétrica das contrações do coração, pode-se registrar a mudança na voltagem colocando eletrodos na pele e processando o sinal. O gráfico dessas tensões ao longo do tempo é chamado de eletrocardiograma (abreviatura de ECG). Os ECGs são normalmente usados para diagnosticar várias formas de insuficiência cardíaca ou monitorar passivamente o estresse do paciente. Um ECG saudável tem características específicas que são universais entre humanos. (Isso inclui uma onda P, uma onda Q, uma onda R, uma onda S, uma onda T e um complexo QRS.) Forneci um diagrama simplificado de um ECG com a reação correspondente do coração.

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Observe que cada evento elétrico que ocorre nos nervos do coração corresponde a um evento físico que ocorre consequentemente no tecido muscular e, enquanto uma parte do coração está se contraindo, as outras partes estão relaxando. Dessa forma, o sincronismo dos sinais elétricos é muito importante no coração, o que torna o ECG uma ferramenta muito poderosa para medir a saúde do coração.

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No entanto, para gravarmos um ECG real, muitas questões logísticas entram em jogo, como o tamanho do sinal, a quantidade de ruído proveniente do resto do corpo e a quantidade de ruído proveniente do ambiente. Para compensar isso, estamos projetando um circuito que será composto de 3 partes: um amplificador diferencial para aumentar o tamanho do nosso sinal, um filtro passa-baixo para eliminar o ruído dos sinais de alta frequência e um filtro de entalhe para remover o ruído de 60 Hz que está sempre presente em edifícios alimentados com corrente alternada. Descreverei a observação dessas etapas em detalhes para você a seguir.

[Imagem retirada de

Etapa 2: Reúna seus suprimentos

Para este projeto, você precisará de:

- 1 breadboard grande (ter 2 ou mais será melhor, no entanto)

- 5 amplificadores operacionais de uso geral

(Eu usei o UA741 com + -15 V, apenas certifique-se de que aquele que você escolher pode lidar com 15 volts, caso contrário, você precisará ajustar os valores de seus componentes passivos e terá que se contentar com menos amplificação)

Resistores

o 2x 165 ohm

o 3x 1k ohm

o 2x 15k ohm

o 2x 33k ohm

o 1x 42k ohm

o 2x 60k ohm

Capacitores

o 2x 22nF

o 2x 1μF

o 1x 2Μf

- Uma pletora ou fios de jumper

- Uma fonte de tensão DC capaz de fornecer + -15 V

- Um gerador de função e osciloscópio (principalmente para solução de problemas)

- Pelo menos três eletrodos pegajosos se você planeja gravar um ECG real

- Cabos suficientes para conectar todo esse absurdo

- Uma sólida compreensão de circuitos, amplificadores operacionais e experiência com breadboarding.

Se você acabou de ganhar um breadboard de aniversário e está querendo tentar fazer algo legal com ele, faça pelo menos algumas compilações mais simples antes de experimentar.

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Etapa 3: construir o amplificador diferencial

O amplificador diferencial é o que amplificará nosso sinal gravado a um nível utilizável para ser exibido em um osciloscópio ou uma tela. Este projeto de circuito pegará a diferença de voltagem dos dois eletrodos de entrada e a amplificará. Isso é feito para reduzir o ruído, pois o ruído comum entre os eletrodos será eliminado. O sinal de ECG variará em amplitude dependendo da colocação dos eletrodos de registro e do indivíduo, mas normalmente estão na ordem de alguns milivolts ao registrar a partir dos pulsos. (Embora não seja necessário para esta configuração, a amplitude do sinal pode ser aumentada colocando eletrodos no tórax, mas a compensação é o ruído do movimento do pulmão.)

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Eu incluí um esquema da configuração. O circuito na imagem deve amplificar seu sinal em cerca de 1000 vezes. Você pode precisar ajustar isso dependendo do tipo de amplificador operacional que você decidiu usar. Uma maneira rápida de ajustar isso é alterando o valor de R1. Cortando o valor de R1 pela metade, você dobrará o ganho de saída e vice-versa.

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Presumo que a maioria de vocês pode traduzir este circuito na placa de ensaio, no entanto, incluí um diagrama da configuração da placa de ensaio para agilizar o processo e, espero, reduzir o tempo de solução de problemas. Também incluí uma imagem da pinagem UA741 (ou LM741) para sua conveniência. (para seus propósitos, você não precisará dos pinos 1, 5 ou 8) Os pinos V + e V- no amplificador operacional serão conectados à sua fonte de +15 V e -15 V, respectivamente. -15V não é o mesmo que terra! Você pode ignorar os capacitores na minha placa de ensaio. Eles são capacitores de bypass destinados a remover o ruído CA, mas, em retrospecto, não valiam o esforço.

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Recomendo testar cada estágio conforme você o conclui para solucionar o problema. Como mostra o circuito, você pode conectar uma das entradas ao aterramento e a outra a uma pequena fonte CC para verificar a amplificação. (certifique-se de inserir <15 mV, caso contrário, você saturará os amplificadores operacionais). Se você precisar reduzir seu ganho para teste, não se preocupe, qualquer coisa acima de 500 vezes o ganho será suficiente para nossos propósitos. Além disso, se você construiu seu circuito para ter um ganho de 1000 e ele mostra apenas um ganho de 800, não é o fim do mundo, o número exato não é crítico.

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Etapa 4: construir o filtro de entalhe

Agora que podemos amplificar nosso sinal, vamos dar uma olhada em como limpá-lo. Se você conectasse eletrodos ao nosso circuito agora, provavelmente teria uma tonelada de ruído de 60 Hz. Isso porque a maioria dos edifícios é conectada com corrente CA de 60 Hz, causando sinais de ruído inevitavelmente grandes. Para remediar isso, construiremos um filtro notch de 60 Hz. Um filtro notch é projetado para atenuar frequências muito específicas e deixar outras frequências intocadas; perfeito para eliminar o ruído de 60 Hz.

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Como antes, incluí uma imagem do esquema do circuito, configuração da placa de ensaio e meu próprio circuito. Como observação, embora o filtro de entalhe seja um estágio relativamente fácil de construir, demorou muito para eu começar a trabalhar. Minha entrada estava sendo atenuada bem, mas em 63 Hz em vez de 60 Hz, o que não é suficiente. Se você tiver o mesmo problema, recomendo que altere seu valor de R14. (Aumentar a resistência de R14 diminuirá sua frequência de atenuação e vice-versa). Se você tiver uma caixa de resistor variável, use-a para substituir R14 e, em seguida, brinque com os valores de resistência para descobrir exatamente o que funciona melhor, pois será sensível a mudanças na ordem de um único ohm. Acabei com um R14 de 175 ohms, mas em teoria funciona melhor para corresponder ao R12.

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Novamente, você pode testar este estágio usando um gerador de função para inserir uma onda senoidal de 60 Hz e registrar sua saída em um osciloscópio. Sua saída deve ser de cerca de -20 dB ou 10% da amplitude da entrada. Como eu disse antes, você pode verificar as frequências próximas para otimização.

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Etapa 5: construir o filtro passa-baixa

Como mencionado antes, outro fator importante é reduzir o ruído de seu corpo e tudo o mais que está afetando a sala em que você está. Um filtro passa-baixa é bom para fazer isso porque, no que diz respeito aos sinais, seu batimento cardíaco é muito lento. Nosso objetivo com o filtro passa-baixa é eliminar todos os sinais que contêm frequências mais altas do que seu ECG. Para fazer isso, precisamos designar uma “frequência de corte”. No nosso caso, tudo acima dessa frequência queremos eliminar e tudo que está abaixo dessa frequência queremos manter. Enquanto um batimento cardíaco está ocorrendo na ordem de 1 a 3 Hertz, as formas de onda individuais que compõem nosso ECG são compostas por frequências muito mais altas do que isso; perto de 1 a 50 Hertz. Por isso, escolhi uma frequência de corte de 80 Hz. É alto o suficiente para manter todos os componentes úteis no sinal, mas ainda corta o ruído do rádio HAM que você tem na sala ao lado.

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Não tenho nenhum conselho sábio sobre o filtro passa-baixa, é muito simples em comparação com os outros estágios. Da mesma forma que o amplificador, não se preocupe em obter um corte preciso em 80 Hz; isso não é crucial e não vai acontecer de forma realista. No entanto, você deve verificar sua saída usando um gerador de função. Como regra geral, uma onda senoidal deve passar pelo filtro intocada em 10 Hz e deve ser cortada pela metade em 130 Hz.

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Etapa 6: conecte-o

Se você chegou até aqui, parabéns! Você tem todos os componentes de um ECG. Tudo o que você precisa fazer é conectá-los, colocar os eletrodos e conectar a saída ao osciloscópio para ver seu ECG!

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Caso você não tenha certeza de como colocar os eletrodos, recomendo colocar os eletrodos de entrada em seus pulsos (um em cada pulso) e conectar um eletrodo de aterramento em sua perna (a imagem pode ajudar). Como um lembrete, cada eletrodo de entrada deve vá uma entrada positiva nos amplificadores operacionais no amplificador. (Ele é aterrado apenas no diagrama de circuito para fins de simulação)

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Assim que estiver conectado, conecte a saída do filtro passa-baixa a um osciloscópio e tenha orgulho de si mesmo! Faça com que todos os seus filhos coloquem eletrodos e vejam os batimentos cardíacos. Caramba, faça seus vizinhos virem experimentar. Se você estiver se sentindo mais motivado, conecte a saída a um microcontrolador para calcular a frequência cardíaca a partir do único. (Você provavelmente deseja diminuir a amplificação antes de fazer isso, isso pode fritar a placa que você está usando). Independentemente disso, parabéns pela construção e feliz trabalho!

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