Circuito de gravação de ECG simples e monitor de frequência cardíaca LabVIEW: 5 etapas

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

Este não é um dispositivo médico. É apenas para fins educacionais, usando sinais simulados. Se estiver usando este circuito para medições de ECG reais, certifique-se de que o circuito e as conexões de circuito para instrumento estão utilizando técnicas de isolamento adequadas

Um dos aspectos mais fundamentais da assistência médica moderna é a capacidade de capturar uma onda cardíaca por meio de um ECG ou eletrocardiograma. Essa técnica usa eletrodos de superfície para medir os vários padrões elétricos emitidos pelo coração, de modo que a saída possa ser usada como uma ferramenta de diagnóstico para diagnosticar condições cardíacas e pulmonares, como várias formas de taquicardia, bloqueio de ramo e hipertrofia. Para diagnosticar essas condições, a forma de onda de saída é comparada a um sinal de ECG normal.

Para criar um sistema que possa obter a forma de onda de ECG, o sinal deve primeiro ser amplificado e, em seguida, filtrado adequadamente para remover o ruído. Para fazer isso, um circuito de três estágios pode ser construído usando amplificadores OP.

Este Instructable fornecerá as informações necessárias para projetar e construir um circuito simples capaz de registrar um sinal de ECG usando eletrodos de superfície e, em seguida, filtrar esse sinal para posterior processamento e análise. Além disso, este Instructable irá delinear uma técnica usada para analisar aquele sinal a fim de criar uma representação gráfica da saída do circuito, bem como um método para calcular a freqüência cardíaca a partir da saída do circuito de forma de onda de ECG.

Observação: ao projetar cada estágio, certifique-se de realizar varreduras CA tanto experimentalmente quanto por meio de simulações para garantir o comportamento do circuito desejado.

Etapa 1: projetar e construir o amplificador de instrumentação

O primeiro estágio neste circuito de ECG é um amplificador de instrumentação, que consiste em três amplificadores OP. Os primeiros dois amplificadores OP são entradas com buffer, que são então alimentados em um terceiro amplificador OP que funciona como um amplificador diferencial. Os sinais do corpo devem ser protegidos ou então a saída diminuirá, pois o corpo não pode fornecer muita corrente. O amplificador diferencial mede a diferença entre as duas fontes de entrada para fornecer uma diferença de potencial mensurável, ao mesmo tempo que cancela o ruído comum. Este estágio também tem um ganho de 1000, amplificando o mV típico para uma tensão mais legível.

O ganho do circuito de 1000 para o amplificador de instrumentação é calculado pelas equações mostradas. O ganho de estágio 1 do amplificador de instrumentação é calculado por (2), e o ganho de estágio 2 do amplificador de instrumentação é calculado por (3). K1 e K2 foram calculados de modo que não diferissem um do outro por mais do que um valor de 15.

Para um ganho de 1000, K1 poderia ser definido como 40 e K2 poderia ser definido como 25. Os valores do resistor podem ser calculados, mas este amplificador de instrumentação em particular usou os valores do resistor abaixo:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

Etapa 2: projetar e construir o filtro de entalhe

O próximo estágio é um filtro de entalhe para remover o sinal de 60 Hz que vem da tomada.

No filtro de entalhe, o valor do resistor de R1 é calculado por (4), o valor de R2 por (5) e o valor de R3 por (6). O fator de qualidade do circuito, Q, é definido como 8 porque isso dá uma margem de erro razoável, embora seja realisticamente preciso. O valor Q pode ser calculado por (7). A última equação governante do filtro notch é usada para calcular a largura de banda e é descrita por (8). Além do fator de qualidade de 8, o filtro de entalhe tinha outras especificações de design presentes. Este filtro é projetado para ter um ganho de 1 para que não altere o sinal, enquanto remove o sinal de 60 Hz.

De acordo com essas equações, R1 = 11,0524 kΩ, R2 = 2,829 MΩ, R3 = 11,009 kΩ e C1 = 15 nF

Etapa 3: Projetar e construir o filtro passa-baixa Butterworth de 2ª ordem

O estágio final é um filtro passa-baixa para remover todos os sinais que podem ocorrer acima do componente de frequência mais alta de uma onda de ECG, como ruído WiFi e outros sinais ambientais que podem desviar a atenção do sinal de interesse. O ponto de -3dB para este estágio deve ser em torno ou próximo a 150 Hz, uma vez que a faixa padrão de sinais presentes em uma onda de ECG varia de 0,05 Hz a 150 Hz.

Ao projetar o filtro Butterworth de segunda ordem passa-baixa, o circuito é novamente configurado para ter um ganho de 1, o que permitiu um projeto de circuito mais simples. Antes de realizar qualquer cálculo adicional, é importante observar que a frequência de corte desejada do filtro passa-baixa é definida para 150 Hz. É mais fácil começar calculando o valor do capacitor 2, C2, pois outras equações dependem desse valor. C2 pode ser calculado por (9). Procedendo do cálculo de C2, C1 pode ser calculado por (10). No caso deste filtro passa-baixo, os coeficientes aeb são definidos onde a = 1,414214 e b = 1. O valor do resistor de R1 é calculado por (11), e o valor do resistor de R2 é calculado por (12).

Os seguintes valores foram usados:

R1 = 13,842kΩ

R2 = 54,36kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

Etapa 4: configurar o programa LabVIEW usado para aquisição e análise de dados

Em seguida, o programa de computador LabView pode ser utilizado para criar uma tarefa que criará uma representação gráfica de um batimento cardíaco a partir de um sinal de ECG e calculará a frequência cardíaca a partir do mesmo sinal. O programa LabView faz isso aceitando primeiro uma entrada analógica de uma placa DAQ, que também atua como um conversor analógico para digital. Este sinal digital é então analisado e plotado, onde o gráfico mostra a representação gráfica do sinal sendo inserido na placa DAQ. A forma de onda do sinal é analisada tomando 80% dos valores máximos do sinal digital que está sendo aceito e, em seguida, usa uma função de detector de pico para detectar esses picos do sinal. Simultaneamente, o programa pega a forma de onda e calcula a diferença de tempo entre os picos da forma de onda. A detecção de pico é associada a valores de 1 ou 0, onde 1 representa um pico para criar um índice da localização dos picos, e esse índice é então usado em conjuntura com a diferença de tempo entre os picos para calcular matematicamente a frequência cardíaca em batimentos por minuto (BPM). O diagrama de blocos que foi usado no programa LabView é mostrado.

Etapa 5: Montagem Completa

Uma vez que você construiu todos os seus circuitos e programa LabVIEW e garantiu que tudo está funcionando corretamente, você está pronto para gravar um sinal de ECG. Na foto, há um possível esquema da montagem do sistema de circuito completo.

Conecte o eletrodo positivo ao seu pulso direito e uma das entradas do amplificador de instrumentação circulada, e o eletrodo negativo ao seu pulso esquerdo e a outra entrada do amplificador de instrumentação conforme ilustrado. A ordem da entrada do eletrodo não importa. Finalmente, coloque um eletrodo de aterramento em seu tornozelo e conecte-o ao aterramento em seu circuito. Parabéns, você concluiu todas as etapas necessárias para registrar e sinalizar o ECG.