Circuito de eletrocardiograma (ECG): 7 etapas

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

Nota: 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.

Somos dois alunos de Engenharia Biomédica e depois de fazer nossa primeira aula de circuitos, ficamos muito animados e decidimos usar o básico que aprendemos para fazer algo útil: exibir um ECG e ler a frequência cardíaca. Este seria o circuito mais complexo que já construímos!

Alguns antecedentes em um ECG:

Muitos dispositivos elétricos são usados para medir e registrar a atividade biológica no corpo humano. Um desses dispositivos é o eletrocardiograma, que mede os sinais elétricos produzidos pelo coração. Esses sinais fornecem informações objetivas sobre a estrutura e função do coração. O ECG foi desenvolvido pela primeira vez em 1887 e deu aos médicos uma nova maneira de diagnosticar complicações cardíacas. Os ECGs podem detectar ritmo cardíaco, freqüência cardíaca, ataques cardíacos, suprimento inadequado de sangue e oxigênio ao coração e anormalidades estruturais. Usando um projeto de circuito simples, um ECG pode ser feito para monitorar todas essas coisas.

Etapa 1: Materiais

Construindo o circuito

Os materiais básicos necessários para construir o circuito são mostrados em fotos. Eles incluem:

• Tábua de pão

• Amplificadores operacionais

  • Todos os amplificadores operacionais usados neste circuito são LM741.
  • Para obter mais informações, consulte a folha de dados:
• Resistores
• Capacitores
• Fios

• Eletrodos colados

  Eles só serão necessários se você decidir experimentar o circuito em uma pessoa real

O software usado inclui:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab ou PSpice para simulações para verificar valores

• Excel

  Isso é altamente recomendado no caso de você precisar alterar alguma característica do seu circuito. Você também pode precisar brincar com os números até encontrar os valores do resistor e do capacitor que estão prontamente disponíveis. Cálculos de caneta e papel desencorajados para este! Anexamos nossos cálculos em planilhas para dar uma ideia

Testando o circuito

Você também precisará de alguns equipamentos eletrônicos maiores:

• Fonte de alimentação DC
• Placa DAQ para fazer a interface do circuito com o LabVIEW
• Gerador de função para testar o circuito
• Osciloscópio para testar o circuito

Etapa 2: amplificador de instrumentação

Por que precisamos:

Vamos construir um amplificador de instrumentação para amplificar a pequena amplitude medida do corpo. Usar dois amplificadores em nosso primeiro estágio nos permitirá cancelar o ruído criado pelo corpo (que será o mesmo em ambos os eletrodos). Usaremos dois estágios de ganho aproximadamente igual - isso protege o usuário se o sistema estiver conectado a uma pessoa, evitando que todo o ganho aconteça em um só lugar. Como a amplitude normal de um sinal de ECG está entre 0,1 e 5 mV, queremos que o ganho do amplificador de instrumentação seja de cerca de 100. Uma tolerância aceitável para o ganho é de 10%.

Como construir:

Usando essas especificações e as equações vistas na tabela (fotos anexas), descobrimos que nossos valores de resistor são R1 = 1,8 kiloOhms, R2 = 8,2 kiloOhms, R3 = 1,5 kiloOhms e R4 = 15 kiloOhms. K1 é o ganho do primeiro estágio (OA1 e OA2) e K2 é o ganho do segundo estágio (OA3). Capacitores de bypass de capacitância iguais são usados nas fontes de alimentação dos amplificadores operacionais para remover o ruído.

Como testar:

Qualquer sinal que é alimentado no amplificador de instrumentação deve ser amplificado em 100. Usando dB = 20log (Vout / Vin), isso significa uma proporção de 40 dB. Você pode simular isso no PSpice ou CircuitLab, ou testar o dispositivo físico, ou ambos!

A imagem do osciloscópio anexada mostra um ganho de 1000. Para um ECG real, isso é muito alto!

Etapa 3: Filtro de entalhe

Por que precisamos:

Usaremos um filtro notch para remover o ruído de 60 Hz presente em todas as fontes de alimentação nos Estados Unidos.

Como construir:

Definiremos o fator de qualidade Q em 8, o que fornecerá uma saída de filtragem aceitável enquanto mantém os valores dos componentes em uma faixa viável. Também definimos o valor do capacitor como 0,1 μF para que os cálculos afetem apenas os resistores. Os valores do resistor calculados e utilizados podem ser vistos na tabela (nas fotos) ou abaixo

• Q = w / B

  defina Q como 8 (ou escolha o seu com base nas suas necessidades)

• w = 2 * pi * f

  use f = 60 Hz

• C

  definido para 0,1 uF (ou escolha seu próprio valor dos capacitores disponíveis)

• R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

  Calcular. Nosso valor é 1,66 kohm

• R2 = 2 * Q / (w * C)

  Calcular. Nosso valor é 424,4 kohm

• R3 = R1 * R2 / (R1 + R2)

  Calcular. Nosso valor é 1,65 kohm

Como testar:

O filtro de entalhe deve passar todas as frequências inalteradas, exceto para aquelas em torno de 60 Hz. Isso pode ser verificado com uma varredura AC. Um filtro com ganho de -20 dB a 60 Hz é considerado bom. Você pode simular isso no PSpice ou CircuitLab, ou testar o dispositivo físico, ou ambos!

Esse tipo de filtro de entalhe pode gerar um bom entalhe na varredura CA simulada, mas um teste físico mostrou que nossos valores originais geraram um entalhe em uma frequência menor do que o pretendido. Para corrigir isso, aumentamos o R2 em cerca de 25 kohm.

A imagem do osciloscópio mostra que o filtro reduz bastante a magnitude do sinal de entrada em 60 Hz. O gráfico mostra uma varredura AC para um filtro notch de alta qualidade.

Etapa 4: Filtro passa-baixa

Por que precisamos:

O último estágio do dispositivo é um filtro passa-baixo ativo. O sinal de ECG é feito de muitas formas de onda diferentes, cada uma com sua própria frequência. Queremos capturar tudo isso, sem nenhum ruído de alta frequência. A frequência de corte padrão para monitores de ECG de 150 Hz é selecionada. (Cortes mais altos às vezes são escolhidos para monitorar problemas cardíacos específicos, mas para o nosso projeto, usaremos um corte normal.)

Se você quiser fazer um circuito mais simples, também pode usar um filtro passa-baixa passivo. Isso não incluirá um amplificador operacional e consistirá em apenas um resistor em série com um capacitor. A tensão de saída será medida no capacitor.

Como construir:

Vamos projetá-lo como um filtro Butterworth de segunda ordem, que tem coeficientes aeb iguais a 1,414214 e 1, respectivamente. Definir o ganho em 1 torna o amplificador operacional um seguidor de tensão. As equações e valores escolhidos são mostrados na tabela (em fotos) e abaixo.

• w = 2 * pi * f

  definir f = 150 Hz

• C2 = 10 / f

  Calcular. Nosso valor é 0,067 uF

• C1 <= C2 * (a ^ 2) / (4b)

  Calcular. Nosso valor é 0,033 uF

• R1 = 2 / (w * (aC2 + sqrt (a ^ 2 * C2 ^ 2-4b * C1 * C2)))

  Calcular. Nosso valor é 18,836 kohm

• R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2)

  Calcular. Nosso valor é 26,634 kohm

Como testar:

O filtro deve passar as frequências abaixo do cutoff inalteradas. Isso pode ser testado usando uma varredura AC. Você pode simular isso no PSpice ou CircuitLab, ou testar o dispositivo físico, ou ambos!

A imagem do osciloscópio mostra a resposta do filtro em 100 Hz, 150 Hz e 155 Hz. Nosso circuito físico teve um corte próximo a 155 Hz, mostrado pela relação de -3 dB.

Etapa 5: Filtro passa-alta

Por que precisamos:

O filtro passa-alta é usado para que as frequências abaixo de um determinado valor de corte não sejam gravadas, permitindo a passagem de um sinal limpo. A frequência de corte é escolhida como 0,5 Hz (um valor padrão para monitores de ECG).

Como construir:

Os valores do resistor e do capacitor necessários para conseguir isso são vistos abaixo. Nossa resistência real usada foi de 318,2 kohm.

• R = 1 / (2 * pi * f * C)

  • definir f = 0,5 Hz, e C = 1 uF
  • Calcule R. Nosso valor é 318.310 kohm

Como testar:

O filtro deve passar as frequências acima do corte inalteradas. Isso pode ser testado usando uma varredura AC. Você pode simular isso no PSpice ou CircuitLab, ou testar o dispositivo físico, ou ambos!

Etapa 6: Configurando o LabVIEW

O fluxograma apresenta o conceito de design da parte LabVIEW do projeto, que registra o sinal em uma alta taxa de amostragem e exibe a freqüência cardíaca (BPM) e o ECG. Nosso circuito LabView contém os seguintes componentes: assistente DAQ, matriz de índice, operadores aritméticos, detecção de pico, indicadores numéricos, gráfico de forma de onda, mudança no tempo, identificador máximo / mínimo e constantes numéricas. O assistente DAQ é configurado para obter amostras contínuas a uma taxa de 1 kHz, com o número de amostras alterado entre 3.000 e 5.000 amostras para fins de detecção de pico e clareza de sinal.

Passe o mouse sobre os diferentes componentes no diagrama de circuito para ler onde encontrá-los no LabVIEW!

Etapa 7: coleta de dados

Agora que o circuito foi montado, os dados podem ser coletados para ver se funciona! Envie um ECG simulado através do circuito a 1 Hz. O resultado deve ser um sinal de ECG limpo, onde o complexo QRS, a onda P e a onda T podem ser vistos claramente. A freqüência cardíaca também deve exibir 60 batimentos por minuto (bpm). Para testar ainda mais o circuito e a configuração do LabVIEW, mude a frequência para 1,5 Hz e 0,5 Hz. A freqüência cardíaca deve mudar para 90 bpm e 30 bpm, respectivamente.

Para que as frequências cardíacas mais lentas sejam exibidas com precisão, pode ser necessário ajustar as configurações do DAQ para mostrar mais ondas por gráfico. Isso pode ser feito aumentando o número de amostras.

Se você escolher testar o dispositivo em um ser humano, certifique-se de que a fonte de alimentação que você está usando para os amplificadores operacionais limita a corrente em 0,015 mA! Existem várias configurações de eletrodos aceitáveis, mas optamos por colocar o eletrodo positivo no tornozelo esquerdo, o eletrodo negativo no pulso direito e o eletrodo terra no tornozelo direito, conforme mostrado na imagem anexa.

Usando alguns conceitos básicos de circuitos e nosso conhecimento do coração humano, mostramos como criar um dispositivo divertido e útil. Esperamos que você tenha gostado do nosso tutorial!