Circuito de coleta de ECG: 5 etapas

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

AVISO: Este não é um dispositivo médico. Isso é para fins educacionais, usando apenas 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 técnicas de isolamento adequadas

Talvez a medição fisiológica mais difundida no setor de saúde de hoje seja o eletrocardiograma (ECG / EKG). É difícil andar por um hospital ou sala de emergência sem ouvir o tradicional "bipe" de um monitor de frequência cardíaca ou ver a forma de onda de ECG rolando pela tela no quarto de um paciente. Mas o que é essa medida que se tornou tão associada à saúde moderna?

O eletrocardiograma é frequentemente confundido com o registro da atividade física do coração, no entanto, como o nome sugere, é na verdade um registro da atividade elétrica, a despolarização e repolarização dos músculos do coração. Ao analisar a forma de onda registrada, os médicos são capazes de obter informações sobre o comportamento do sistema elétrico do coração. Alguns diagnósticos comuns feitos de dados de ECG incluem: infarto do miocárdio, embolia pulmonar, arritmias e bloqueios AV.

O Instructable a seguir descreverá o processo e os princípios usados para construir um circuito elétrico básico que seja capaz de coletar um ECG com o uso de eletrodos de superfície simples, como é feito em hospitais.

Etapa 1: projetar um amplificador de instrumentação

O primeiro elemento de circuito necessário para registrar o sinal de ECG é um amplificador de instrumentação. Este amplificador tem dois efeitos.

1. Ele cria um buffer eletrônico entre os eletrodos de registro e o resto do circuito. Isso reduz o consumo de corrente necessário dos eletrodos para praticamente zero. Permitindo a coleta de sinal com muito pouca distorção causada pela impedância de entrada.

2. Amplifica diferencialmente o sinal gravado. Isso significa que qualquer sinal comum em ambos os eletrodos de registro não será amplificado, enquanto as diferenças (as partes importantes) serão.

Normalmente, as gravações do eletrodo de superfície para um ECG estarão na faixa dos milivolt. Portanto, para colocar esse sinal em uma faixa que possamos trabalhar com uma amplificação (K) de 1000 V / V será apropriado.

As equações governantes para o amplificador ilustrado acima são:

K1 = 1 + 2 * R2 / R1, este é o ganho do estágio 1

K2 = - R4 / R3, este é o ganho do estágio 2

Observe que, idealmente, K1 e K2 devem ser aproximadamente iguais e para atingir a amplificação desejada K1 * K2 = 1000

Os valores finais usados em nosso circuito foram….

R1 = 6,5 kOhm

R2 = 100 kOhm

R3 = 3,17 kOhm

R4 = 100 kOhm

Etapa 2: Projetando um Filtro Notch

É provável que no mundo moderno a coleta do ECG seja feita perto de alguns outros dispositivos eletrônicos, ou mesmo apenas em um prédio que é abastecido com eletricidade de linhas de força locais. Infelizmente, a alta voltagem e a natureza oscilante da energia fornecida significam que ela produzirá uma grande quantidade de "ruído" elétrico em praticamente qualquer material condutor que esteja próximo a ela; isso inclui os fios e os elementos de circuito usados para construir nosso circuito de coleta de ECG.

Para combater isso, qualquer sinal com uma frequência igual à do ruído gerado pela fonte de alimentação local (chamado de ruído da rede) pode simplesmente ser filtrado e essencialmente removido. Nos Estados Unidos, a rede elétrica fornece 110-120 V com uma frequência de 60 Hz. Portanto, precisamos filtrar qualquer componente do sinal com uma frequência de 60 Hz. Felizmente, isso já foi feito muitas vezes antes e requer apenas o design de um filtro de entalhe (foto acima).

As equações que regem este filtro são….

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

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

Q = w / B

onde wc2 é a frequência de corte alta, w2 a frequência de corte baixa, w a frequência de corte em rad / s e Q um fator de qualidade

Observe que C é um valor que pode ser escolhido livremente. Os seguintes valores usados em nosso circuito foram:

R1 = 1,65 kOhm

R2 = 424,5 kOhm

Q = 8

w = 120 * pi rad / s

Etapa 3: Filtro passa-baixa

Os sinais de ECG têm uma frequência de cerca de 0 a 150 Hz. A fim de evitar que mais ruído se acople ao sinal de coisas com uma frequência mais alta do que essa faixa, um filtro ButterWorth passa-baixa de segunda ordem com um corte de 150 Hz foi implementado para permitir que apenas o sinal de ECG passe pelo circuito. Em vez de escolher imediatamente um valor de capacitor prontamente disponível, como os componentes anteriores, o primeiro valor de capacitor, C2, foi escolhido com base na fórmula encontrada abaixo. A partir desse valor, todos os outros valores do componente podem ser calculados e, em seguida, adicionados ao circuito, mantendo o ganho novamente a 1 V / V.

C2 ≈ 10 / fc uf, onde fc é a frequência de corte (150 Hz neste caso).

Em seguida, os valores restantes podem ser calculados conforme mostrado na tabela incluída como a segunda imagem nesta etapa.

Os valores finais usados para serem colocados no esquema acima são:

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22,47 kOhm

R2 = 22,56 kOhm

Etapa 4: Preparação para o LabVIEW

O único material necessário para esta seção da coleção de ECG é um computador Windows equipado com uma cópia de 64 bits do LabVIEW e uma placa de condicionamento de sinal da National Instruments () com um único módulo de entrada. O diagrama de bloco funcional no LabVIEW deve ser construído da seguinte maneira. Comece abrindo um Diagrama de Bloco Funcional em branco.

Insira um bloco DAQ Assistant e ajuste as configurações para o seguinte:

Medição: Analógico → Tensão

Modo: RSE

Amostragem: Amostragem Contínua

Amostras coletadas: 2500

Taxa de amostragem: 1000 / s

Envie a forma de onda coletada para um gráfico de forma de onda. Além disso, calcule o valor máximo dos dados da forma de onda atual. Multiplique o valor máximo da onda por um valor como 0,8 para criar um limite para detecção de pico. Este valor pode ser ajustado com base no nível de ruído dentro do sinal. Alimente o produto da etapa anterior como o limite e a matriz de tensão bruta como os dados para a função “Detecção de Pico”. Em seguida, pegue a saída “Localização” da matriz de detecção de pico e subtraia o primeiro e o segundo valores. Isso representa a diferença nos valores de índice dos dois picos na matriz inicial. Isso pode então ser convertido em uma diferença de tempo dividindo o valor pela taxa de amostragem, no caso do exemplo, 1000 / s. Finalmente, pegue o inverso desse valor (dando Hz) e multiplique por 60 para obter a frequência cardíaca em batimentos por minuto BPM. O diagrama de bloco final para isso deve ser semelhante à imagem do cabeçalho para esta etapa.

Etapa 5: Integração Completa do Sistema

Agora que todos os componentes foram construídos individualmente, é hora de montar o shopping. Isso pode ser feito simplesmente conectando a saída de uma seção à entrada do segmento seguinte. Os estágios devem ser conectados na mesma ordem em que aparecem neste Instructable. Para o último estágio, o filtro ButterWorth, sua entrada deve ser conectada a um dos dois cabos no módulo de entrada da placa de condicionamento de sinal. O outro cabo deste módulo deve ser conectado ao aterramento comum dos circuitos.

Para o amplificador de instrumentação, suas duas derivações devem ser conectadas a um eletrodo de ECG / EKG. Isso é feito facilmente com o uso de duas pinças de crocodilo. Em seguida, coloque um eletrodo em cada pulso. Certifique-se de que todos os segmentos do circuito estão conectados e que o VI LabVIEW está funcionando e o sistema deve estar gerando um gráfico de forma de onda na janela do LabVIEW.

A saída deve ser semelhante à segunda imagem fornecida nesta etapa. Se não for semelhante, os valores do seu circuito podem precisar ser ajustados. Um problema comum é que o filtro de entalhe não será centralizado diretamente em 60 Hz e pode ser ligeiramente alto / baixo. Isso pode ser testado criando um gráfico de bode para o filtro. Idealmente, o filtro de entalhe terá atenuação de pelo menos 20 dB a 60 Hz. Também pode ser útil verificar se a alimentação local é fornecida a 60 Hz. Não é incomum que algumas áreas tenham fontes de CA de 50 Hz, isso exigiria centralizar o filtro de entalhe em torno deste valor.