ECG simples e detector de frequência cardíaca: 10 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

Hoje, examinaremos o projeto básico do circuito de eletrocardiografia (ECG) e criaremos um circuito para amplificar e filtrar o sinal elétrico do seu coração. Então, podemos medir a frequência cardíaca usando o software labVIEW. Ao longo do processo, darei instruções detalhadas sobre os elementos do projeto de circuitos e por que eles ocorreram, bem como um pouco de conhecimento de biologia. A imagem do título é do sinal elétrico do meu coração. Ao final deste instrutível, você também poderá medir o seu. Vamos começar!

O ECG é uma ferramenta de diagnóstico útil para profissionais médicos. Ele pode ser usado para diagnosticar uma variedade de problemas cardíacos, desde o ataque cardíaco básico (infarto do miocárdio) até distúrbios cardíacos mais avançados, como a fibrilação atrial, que as pessoas podem passar a maior parte da vida sem perceber. A cada batimento cardíaco, seu sistema nervoso autônomo está trabalhando duro para fazer seu coração bater. Ele envia sinais elétricos para o coração, que viajam do nó SA para o nó AV e, em seguida, para os ventrículos esquerdo e direito de forma síncrona e, finalmente, do endocárdio para o epicárdio e as fibras de purkinje, a última linha de defesa do coração. Este circuito biológico complexo pode ter problemas em qualquer lugar ao longo de seu caminho, e o ECG pode ser usado para diagnosticar esses problemas. Eu poderia falar de biologia o dia todo, mas já existe um livro sobre o assunto, então dê uma olhada em "Diagnóstico de ECG na Prática Clínica", de Nicholas Peters, Michael Gatzoulis e Romeo Vecht. Este livro é extremamente fácil de ler e demonstra a incrível utilidade de um ECG.

Para criar o ECG, você precisará dos seguintes componentes ou substituições aceitáveis.

• Para Projeto de Circuito:

  • Tábua de pão
  • OP Amps x 5
  • Resistores
  • Capacitores
  • Fios
  • Clipes de jacaré ou outros métodos de estimulação e medição
  • Cabos BNC
  • Gerador de funções
  • Osciloscópio
  • Fonte de alimentação DC, ou baterias se você for útil

• Para detecção de frequência cardíaca:

  • LabView
  • Placa DAQ

• Para Medição de Sinal Biológico *

  • Eletrodos
  • Pinças de crocodilo ou cabos de eletrodo

* Coloquei uma nota de advertência acima e discutirei um pouco mais sobre os perigos dos componentes elétricos para o corpo humano. Não conecte este ECG a você mesmo, a menos que tenha se assegurado de que está usando técnicas de isolamento adequadas. Conectar dispositivos com alimentação principal, como fontes de alimentação, osciloscópios e computadores diretamente ao circuito, pode fazer com que grandes correntes fluam através do circuito no caso de uma oscilação de energia. Isole o circuito da alimentação principal usando a energia da bateria e outras técnicas de isolamento.

Em seguida, 'discutirei a parte divertida; Elementos de design de circuito!

Etapa 1: Especificações do projeto do circuito

Agora vou falar sobre design de circuitos. Não vou discutir os esquemas de circuito, pois eles serão fornecidos após esta seção. Esta seção é para pessoas que desejam entender por que escolhemos os componentes que escolhemos.

A imagem acima, tirada do meu manual de laboratório na Purdue University, nos dá quase tudo que precisamos saber para projetar um circuito de ECG básico. Esta é a composição de frequência de um sinal de ECG não filtrado, com uma "amplitude" genérica (eixo y) referindo-se a um número adimensional para fins comparativos. Agora vamos falar de design!

A. Amplificador de Instrumentação

O amplificador de instrumentação será o primeiro estágio do circuito. Esta ferramenta versátil armazena o sinal, reduz o ruído do modo comum e amplifica o sinal.

Estamos recebendo um sinal do corpo humano. Alguns circuitos permitem que você use sua fonte de medição como fonte de alimentação, já que há carga adequada disponível sem risco de danos. No entanto, não queremos ferir nossos assuntos humanos, por isso precisamos amortecer o sinal que estamos interessados em medir. Um amplificador de instrumentação permite que você armazene sinais biológicos, uma vez que as entradas Op Amp têm impedância teoricamente infinita (este não é o caso, na prática, mas a impedância é geralmente suficientemente alta), o que significa que nenhuma corrente (teoricamente) pode fluir para a entrada terminais.

O corpo humano tem ruído. Os sinais dos músculos podem fazer com que esse ruído se manifeste em sinais de ECG. Para reduzir esse ruído, podemos usar um amplificador de diferença para reduzir o ruído de modo comum. Essencialmente, queremos subtrair o ruído que está presente nos músculos do antebraço na colocação de dois eletrodos. Um amplificador de instrumentação inclui um amplificador de diferença.

Os sinais no corpo humano são pequenos. Precisamos amplificar esses sinais para que possam ser medidos em uma resolução apropriada usando dispositivos de medição elétricos. Um amplificador de instrumentação fornece o ganho necessário para fazer isso. Consulte o link anexo para obter mais informações sobre amplificadores de instrumentação.

www.electronics-tutorial.net/amplifier/instrumentation-amplifier/index.html

B. Filtro Notch

As linhas de energia nos EUA produzem um "zumbido da rede elétrica" ou "ruído da linha de energia" exatamente a 60 Hz. Em outros países, isso ocorre em 50 Hz. Podemos ver esse ruído olhando para a imagem acima. Como nosso sinal de ECG ainda está um pouco dentro da banda de interesse, queremos remover esse ruído. Para remover esse ruído, um filtro de entalhe pode ser usado, o que reduz o ganho em frequências dentro do entalhe. Algumas pessoas podem não estar interessadas nas frequências mais altas do espectro de ECG e podem optar por criar um filtro passa-baixas com um corte abaixo de 60 Hz. No entanto, queríamos errar no lado seguro e receber o máximo de sinal possível, então um filtro notch e um filtro passa-baixa com uma frequência de corte mais alta foram escolhidos.

Consulte o link em anexo para obter mais informações sobre filtros de entalhe.

www.electronics-tutorials.ws/filter/band-st…

C. Filtro passa-baixa Butterworth VCVS de segunda ordem

A composição de frequência de um sinal de ECG só se estende até agora. Queremos eliminar os sinais em frequências mais altas, pois, para nossos propósitos, eles são simplesmente ruído. Os sinais do seu telefone celular, dispositivo bluetooth ou laptop estão por toda parte e podem causar ruído inaceitável no sinal de ECG. Eles podem ser eliminados com um filtro passa-baixa Butterworth. Nossa frequência de corte escolhida foi 220 Hz, que em retrospectiva, foi um pouco alta. Se eu criasse este circuito novamente, eu escolheria uma frequência de corte muito mais baixa do que essa e talvez até mesmo experimentasse uma frequência de corte abaixo de 60 Hz e usaria um filtro de ordem superior!

Este filtro é de segunda ordem. Isso significa que o ganho "diminui" a uma taxa de 40 db / década em vez de 20 db / década, como faria um filtro de primeira ordem. Este roll off mais íngreme fornece maior mitigação do sinal de alta frequência.

Um filtro Butterworth foi escolhido porque é "maximamente plano" na banda de passagem, o que significa que não há distorção dentro da banda de passagem. Se você estiver interessado, este link contém informações incríveis para o design básico de filtros de segunda ordem:

www.electronics-tutorials.ws/filter/second-…

Agora que falamos sobre o projeto do circuito, podemos começar a construção.

Etapa 2: construir o amplificador de instrumentação

Este circuito armazenará a entrada, subtrairá o ruído do modo comum e amplificará o sinal com um ganho de 100. O esquema do circuito e as equações de projeto que o acompanham são mostrados acima. Isso foi criado usando o designer OrCAD Pspice e simulado usando Pspice. O esquema sai um pouco embaçado quando copiado do OrCAD, então peço desculpas por isso. Eu editei a imagem para tornar alguns dos valores do resistor um pouco mais claros.

Lembre-se de que, ao criar circuitos, valores razoáveis de resistência e capacitância devem ser escolhidos de forma que a impedância prática da fonte de tensão, a impedância prática do dispositivo de medição de tensão e o tamanho físico dos resistores e capacitores sejam levados em consideração.

As equações de projeto estão listadas acima. Inicialmente, queríamos que o ganho do amplificador de instrumentação fosse x1000 e criamos esse circuito para que pudéssemos amplificar os sinais simulados. No entanto, ao conectá-lo ao nosso corpo, queríamos reduzir o ganho para 100 por razões de segurança, uma vez que as placas de ensaio não são exatamente as interfaces de circuito mais estáveis. Isso foi feito pelo resistor de troca a quente 4 para ser reduzido por um fator de dez. Idealmente, seu ganho de cada estágio do amplificador de instrumentação seria o mesmo, mas em vez disso, nosso ganho tornou-se 31,6 para o estágio 1 e 3,16 para o estágio 2, dando um ganho de 100. Anexei o esquema do circuito para um ganho de 100 em vez de 1000. Você ainda verá sinais simulados e biológicos perfeitamente bem com esse nível de ganho, mas pode não ser ideal para componentes digitais com baixa resolução.

Observe, no esquema do circuito, as palavras "entrada de aterramento" e "entrada positiva" desenhadas em laranja. Eu coloquei acidentalmente a entrada de função onde o solo deveria estar. Coloque o aterramento onde a "entrada de aterramento" for observada e a função onde a "entrada positiva" for observada.

• Resumo

  • Ganho do estágio 1 - 31,6
  • Ganho do estágio 2 - 3,16 por razões de segurança

Etapa 3: construir o filtro de entalhe

Este filtro de entalhe elimina o ruído de 60 Hz das linhas de alta tensão dos EUA. Visto que queremos que este filtro entalhe em exatamente 60 Hz, usar os valores de resistência corretos é fundamental.

As equações de projeto estão listadas acima. Um fator de qualidade de 8 foi usado, o que resulta em um pico mais acentuado na frequência de atenuação. Uma frequência central (f0) de 60 Hz foi usada, com uma largura de banda (beta) de 2 rad / s para fornecer atenuação em frequências ligeiramente divergentes da frequência central. Lembre-se de que a letra grega ômega (w) está em unidades de rad / s. Para converter de Hz para rad / s, devemos multiplicar nossa frequência central, 60 Hz, por 2 * pi. Beta também é medido em rad / s.

• Valores para equações de projeto

  • w0 = 376,99 rad / s
  • Beta (B) = 2 rad / s
  • Q = 8
• A partir daqui, valores razoáveis de resistência e capacitância foram escolhidos para construir o circuito.

Etapa 4: construir o filtro passa-baixa

Um filtro passa-baixa é usado para eliminar altas frequências que não estamos interessados em medir, como sinais de telefone celular, comunicação bluetooth e ruído wi-fi. Um filtro VCVS Butterworth de segunda ordem ativo fornece um sinal máximo plano (limpo) na região de passagem de banda com um roll off de -40 db / década na região de atenuação.

As equações de projeto estão listadas acima. Essas equações são um pouco longas, então lembre-se de verificar sua matemática! Observe que os valores b e a são cuidadosamente escolhidos para fornecer um sinal plano na região de graves e atenuação uniforme na região de roll off. Para obter mais informações sobre como esses valores surgem, consulte o link na etapa 2, seção C, "filtro passa-baixo".

A especificação de C1 é bastante ambígua, pois é simplesmente menor do que um valor baseado em C2. Calculei que fosse menor ou igual a 22 nF, então escolhi 10 nF. O circuito funcionou bem e o ponto de -3 db estava muito próximo de 220 Hz, então eu não me preocuparia muito com isso. Lembre-se novamente de que a frequência angular (wc) em rad / s é igual à frequência de corte em Hz (fc) * 2pi.

• Restrições de Design

  • K (ganho) = 1
  • b = 1
  • a = 1,4142
  • Frequência de corte - 220 Hz

A frequência de corte de 220 Hz parecia um pouco alta. Se eu fizesse isso de novo, provavelmente o deixaria mais perto de 100 Hz, ou até mesmo mexeria com uma passagem baixa de ordem superior com um corte de 50 Hz. Eu encorajo você a experimentar diferentes valores e esquemas!

Etapa 5: conectar o amplificador de instrumentação, filtro notch e filtro passa-baixas

Agora, basta conectar a saída do amplificador de instrumentação à entrada do filtro notch. Em seguida, conecte a saída do filtro de entalhe à entrada do filtro de passagem baixa.

Também adicionei capacitores de bypass da fonte de alimentação DC ao aterramento para eliminar algum ruído. Esses capacitores devem ter o mesmo valor para cada Op-Amp e pelo menos 0,1 uF, mas diferente disso, fique à vontade para usar qualquer valor razoável.

Tentei usar um pequeno circuito de envelope para "suavizar" o sinal barulhento, mas não estava funcionando como planejado e estava com pouco tempo, então desisti dessa ideia e usei o processamento digital. Esta seria uma etapa extra legal se você estiver curioso!

Etapa 6: Ligue o circuito, insira uma forma de onda e meça

Instruções para alimentar o circuito e fazer medições. Como o equipamento de cada pessoa é diferente, não há uma maneira simples de dizer como inserir e medir. Eu dei instruções básicas aqui. Consulte o diagrama anterior para obter um exemplo de configuração.

1. Conecte o gerador de função ao amplificador de instrumentação.

   • Clipe positivo para o Op-Amp inferior no diagrama do amplificador de instrumentação
   • Clipe negativo para aterrar.
   • Encurte a entrada do Op-Amp superior no diagrama do amplificador de instrumentação com o aterramento. Isso fornecerá uma referência para o sinal de entrada. (Em sinais biológicos, esta entrada será um eletrodo com a intenção de reduzir o ruído de modo comum.)

2. Conecte o clipe positivo do osciloscópio à saída do estágio final (saída do filtro passa-baixa).

   • clipe positivo para saída no estágio final
   • clipe negativo para o solo
3. Conecte sua fonte de alimentação DC aos trilhos, garantindo que cada entrada de alimentação Op-Amp esteja em curto com o trilho a que corresponde.

4. Conecte o aterramento da fonte de alimentação DC ao trilho inferior restante, fornecendo uma referência para o sinal.

   curto o aterramento do trilho inferior com o aterramento do trilho superior, o que deve permitir que você limpe o circuito

Comece inserindo uma onda e use o osciloscópio para fazer as medições! Se o seu circuito estiver funcionando como planejado, você verá um ganho de 100. Isso significa que a tensão de pico a pico deve ser de 2 V para um sinal de 20 mV. Se você é um gerador de funções como uma forma de onda cardíaca sofisticada, tente inseri-la.

Mexa com frequências e entradas para garantir que seu filtro está funcionando corretamente. Experimente testar cada estágio individualmente e, em seguida, teste o circuito como um todo. Anexei um experimento de amostra onde analisei a função do filtro de entalhe. Notei atenuação suficiente de 59,5 Hz a 60,5 Hz, mas eu teria preferido ter um pouco mais de atenuação nos pontos de 59,5 e 60,5 Hz. No entanto, o tempo era essencial, então segui em frente e descobri que poderia remover o ruído digitalmente mais tarde. Aqui estão algumas questões que você deseja considerar para o seu circuito:

• O ganho é 100?
• Verifique o ganho em 220 Hz. É -3 db ou perto disso?
• Verifique a atenuação em 60 Hz. É suficientemente alto? Ele ainda fornece alguma atenuação em 60,5 e 59,5 Hz?
• Quão rápido seu filtro rola de 220 Hz? É -40 db / década?
• Existe alguma corrente indo para alguma das entradas? Nesse caso, este circuito não é adequado para medição humana e provavelmente algo está errado com seu projeto ou componentes.

Se o seu circuito está funcionando como esperado, você está pronto para seguir em frente! Caso contrário, você terá que solucionar o problema. Verifique a saída de cada estágio individualmente. Certifique-se de que seus Op-Amps estão energizados e funcionais. Examine a tensão em cada nó até encontrar o problema com o circuito.

Etapa 7: Medição de frequência cardíaca no LabVIEW

O LabVIEW nos permitirá medir a freqüência cardíaca usando um diagrama de blocos lógicos. Com mais tempo, eu teria preferido digitalizar os dados sozinho e criar um código que determinasse a frequência cardíaca, pois não exigiria computadores com labVIEW instalado e uma placa DAQ robusta. Além disso, os valores numéricos no labVIEW não vieram intuitivamente. No entanto, aprender o labVIEW foi uma experiência valiosa, pois usar a lógica do diagrama de blocos é muito mais fácil do que ter que codificar sua própria lógica.

Não há muito a dizer sobre esta seção. Conecte a saída do seu circuito à placa DAQ e conecte a placa DAQ ao computador. Crie o circuito exibido na imagem a seguir, clique em "executar" e comece a coletar dados! Certifique-se de que seu circuito está recebendo uma forma de onda.

Algumas configurações importantes são:

• uma taxa de amostragem de 500 Hz e um tamanho de janela de 2500 unidades significa que estamos capturando 5 segundos de dados dentro da janela. Isso deve ser suficiente para ver 4-5 batimentos cardíacos em repouso e mais durante o exercício.
• Um pico detectado de 0,9 foi suficiente para detectar a frequência cardíaca. Embora pareça que é verificado graficamente, na verdade demorou um pouco para chegar a esse valor. Você deve mexer nisso até calcular com precisão os batimentos cardíacos.
• Uma largura de "5" parecia ser suficiente. Novamente, esse valor foi corrigido e não parecia fazer sentido intuitivo.
• A entrada numérica para calcular a freqüência cardíaca usa um valor de 60. Cada vez que um batimento cardíaco é indicado, ele passa pelo circuito de nível inferior e retorna 1 cada vez que o coração bate. Se dividirmos esse número por 60, estamos essencialmente dizendo "divida 60 pelo número de batidas calculado na janela". Isso retornará sua freqüência cardíaca, em batimentos / minuto.

A imagem anexada é do meu próprio batimento cardíaco no labVIEW. Determinou que meu coração estava batendo a 82 BPM. Eu estava muito animado por finalmente ter esse circuito funcionando!

Etapa 8: Medição Humana

Se você provou a si mesmo que seu circuito é seguro e funcional, você pode medir seus próprios batimentos cardíacos. Usando os eletrodos de medição 3M, coloque-os nos seguintes locais e conecte-os ao circuito. Os eletrodos de pulso são colocados na parte interna do pulso, de preferência onde há pouco ou nenhum cabelo. O eletrodo de aterramento é colocado na parte óssea do seu tornozelo. Usando pinças de crocodilo, conecte o cabo positivo à entrada positiva, o cabo negativo à entrada negativa e o eletrodo de aterramento ao trilho de aterramento (preste muita atenção para que não seja o barramento de alimentação negativo)

Uma última repetição Nota: "Este não é um dispositivo médico. É apenas para fins educacionais, usando sinais simulados. Se usar este circuito para medições de ECG reais, certifique-se de que o circuito e as conexões do circuito ao instrumento estão utilizando técnicas de isolamento adequadas. Você assume o risco de qualquer dano incorrido."

Certifique-se de que seu osciloscópio esteja conectado corretamente. Certifique-se de que nenhuma corrente esteja fluindo para o amplificador operacional e que o eletrodo de aterramento esteja conectado ao aterramento. Certifique-se de que os tamanhos da janela do osciloscópio estejam corretos. Observei um complexo QRS de aproximadamente 60 mV e usei uma janela de 5s. Prenda as garras jacaré em seus respectivos eletrodos positivo, negativo e terra. Você deve começar a ver uma forma de onda de ECG após alguns segundos. Relaxar; não faça nenhum movimento, pois o filtro ainda pode captar sinais musculares.

Com a configuração adequada do circuito, você deve ver algo parecido com a saída da etapa anterior! Este é o seu próprio sinal de ECG. Em seguida, irei abordar o processamento.

NOTA: Você verá diferentes configurações de ECG de 3 eletrodos online. Eles também funcionariam, mas podem gerar formas de onda invertidas. Com a forma como o amplificador diferencial é configurado neste circuito, esta configuração de eletrodo fornece uma forma de onda complexa tradicional de QRS positivo.

Etapa 9: Processamento de Sinal

Então você se conectou ao osciloscópio e pode ver o complexo QRS, mas o sinal ainda parece barulhento. Provavelmente algo como a primeira imagem desta seção. Isto é normal. Estamos usando um circuito em uma placa de ensaio aberta, com um monte de componentes elétricos que atuam basicamente como pequenas antenas. As fontes de alimentação CC são notoriamente barulhentas e não há proteção de RF. Claro que o sinal será barulhento. Fiz uma breve tentativa de usar um circuito de rastreamento de envelope, mas fiquei sem tempo. No entanto, é fácil fazer isso digitalmente! Basta tirar uma média móvel. A única diferença entre o gráfico cinza / azul e o gráfico preto / verde é que o gráfico preto / verde usa uma média móvel de tensão em uma janela de 3 ms. Esta é uma janela muito pequena em comparação com o tempo entre as batidas, mas faz com que o sinal pareça muito mais suave.

Etapa 10: Próximas etapas?

Esse projeto foi legal, mas algo sempre pode ser feito melhor. Aqui estão alguns dos meus pensamentos. Fique à vontade para deixar o seu abaixo!

• Use uma frequência de corte mais baixa. Isso deve eliminar parte do ruído presente no circuito. Talvez até mesmo brinque usando apenas um filtro passa-baixa com um roll off acentuado.
• Solde os componentes e crie algo permanente. Isso deve reduzir o ruído, é mais frio e mais seguro.
• Digitalize o sinal e produza-o por conta própria, eliminando a necessidade de uma placa DAQ e permitindo que você escreva o código que determinará o batimento cardíaco para você em vez de usar o LabVIEW. Isso permitirá que o usuário comum detecte os batimentos cardíacos sem a necessidade de um programa poderoso.

Projetos futuros?

• Crie um dispositivo que exibirá a entrada diretamente em uma tela (hmmmm raspberry pi e projeto de tela?)
• Use componentes que tornem o circuito menor.
• Crie um ECG portátil tudo-em-um com visor e detecção de frequência cardíaca.

Isso conclui o instrutível! Obrigado por ler. Por favor, deixe seus pensamentos ou sugestões abaixo.