Projetando um circuito e monitor digital de ECG: 5 etapas

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

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

O objetivo deste projeto é construir um circuito capaz de amplificar e filtrar um sinal de ECG, também conhecido como eletrocardiograma. Um ECG pode ser usado para determinar a frequência e o ritmo cardíacos, pois é capaz de detectar os sinais elétricos que passam por várias partes do coração durante as diferentes fases do ciclo cardíaco. Aqui usamos um amplificador de instrumentação, filtro notch e um filtro passa-baixo para amplificar e filtrar o ECG. Em seguida, usando o LabView, os batimentos por minuto são calculados e uma representação gráfica do ECG é exibida. O produto acabado pode ser visto acima.

Etapa 1: amplificador de instrumentação

O ganho necessário para o amplificador de instrumentação é 1000 V / V. Isso permitiria amplificação suficiente do sinal de entrada, que é muito menor. O amplificador de instrumentação é dividido em duas partes, Estágio 1 e Estágio 2. O ganho de cada estágio (K) deve ser semelhante, de forma que, quando multiplicados juntos, o ganho seja em torno de 1000. As equações abaixo são usadas para calcular o ganho.

K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

K2 = -R4 / R3

A partir dessas equações, foram encontrados os valores de R1, R2, R3 e R4. Para construir o circuito visto nas imagens, três amplificadores operacionais uA741 e resistores foram usados. Os amplificadores operacionais são alimentados com 15 V de uma fonte de alimentação DC. A entrada do amplificador de instrumentação foi conectada a um gerador de função e a saída foi conectada a um osciloscópio. Em seguida, uma varredura AC foi feita e o ganho do amplificador de instrumentação foi encontrado, como pode ser visto no gráfico "Ganho do amplificador de instrumentação" acima. Por fim, o circuito foi recriado no LabView, onde foi feita uma simulação do ganho, como pode ser visto no gráfico preto acima. Os resultados confirmaram que o circuito funcionou corretamente.

Etapa 2: Filtro de entalhe

O filtro de entalhe é usado para remover o ruído que ocorre a 60 Hz. Os valores dos componentes podem ser calculados usando as equações abaixo. Um fator de qualidade (Q) de 8 foi usado. C foi escolhido em função dos capacitores disponíveis.

R1 = 1 / (2 * Q * ω * C)

R2 = 2 * Q / (ω * C)

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

Os valores do resistor e do capacitor foram encontrados e o circuito acima foi construído, os valores calculados podem ser vistos lá. O amplificador operacional era alimentado por uma fonte de alimentação CC, com a entrada conectada a um gerador de funções e a saída a um osciloscópio. A execução de uma varredura AC resultou no gráfico "Notch Filter AC Sweep" acima, mostrando que uma frequência de 60 Hz foi removida. Para confirmar isso, uma simulação LabView foi executada, que confirmou os resultados.

Etapa 3: Filtro passa-baixo

Um filtro passa-baixo Butterworth de segunda ordem é usado, com uma frequência de corte de 250Hz. Para resolver os valores do resistor e do capacitor, foram utilizadas as equações abaixo. Para essas equações, a frequência de corte em Hz foi alterada para rad / s, que foi encontrada em 1570,8. Um ganho de K = 1 foi usado. Os valores de aeb fornecidos são 1,414214 e 1, respectivamente.

R1 = 2 / (wc (a C2 + sqrt (a ^ 2 + 4 b (K - 1)) C2 ^ 2 - 4 b C1 C2))

R2 = 1 / (b C1 C2 R1 wc ^ 2)

R3 = K (R1 + R2) / (K - 1)

R4 = K (R1 + R2)

C1 = (C2 (a ^ 2 + 4 b (K-1)) / (4 b)

C2 = (10 / fc)

Uma vez calculados os valores, o circuito foi construído com os valores, que podem ser vistos em uma das imagens acima. Deve-se notar que, uma vez que foi usado um ganho de 1, R3 foi substituído por um circuito aberto e R4 foi substituído por um curto-circuito. Depois que o circuito foi montado, o amplificador operacional foi alimentado com 15 V de uma fonte de alimentação CC. Semelhante aos outros componentes, a entrada e a saída foram conectadas a um Gerador de Função e um Osciloscópio, respectivamente. Um gráfico da varredura AC foi criado, visto em "Varredura AC do filtro passa-baixas" acima. O gráfico em preto na simulação LabView do circuito, confirmando nossos resultados.

Etapa 4: LabVIEW

O programa LabVIEW mostrado na imagem é usado para calcular batimentos por minuto e para exibir uma representação visual do ECG de entrada. O DAQ Assistant adquire o sinal de entrada e define os parâmetros de amostragem. O gráfico de forma de onda então plota a entrada que o DAQ recebe na IU para exibir ao usuário. Múltiplas análises são feitas nos dados de entrada. Os valores máximos dos dados de entrada são encontrados usando o identificador máximo / mínimo, e os parâmetros para detectar picos são definidos usando a detecção de pico. Usando uma matriz de índice das localizações dos picos, o tempo entre os valores máximos dados pelo componente Change in Time e várias operações aritméticas, o BPM é calculado e exibido como a saída numérica.

Etapa 5: Circuito Completo

Depois que todos os componentes foram conectados, o sistema completo foi testado com um sinal de ECG simulado. Em seguida, o circuito foi usado para filtrar e amplificar um ECG humano com os resultados exibidos por meio do programa LabView mencionado anteriormente. Eletrodos foram colocados no punho direito, punho esquerdo e tornozelo esquerdo. O punho esquerdo e o punho direito foram conectados às entradas do amplificador de instrumentação, enquanto o tornozelo esquerdo foi conectado ao terra. A saída do filtro passa-baixa foi então conectada ao DAQ Assistant. Usando o mesmo diagrama de blocos LabView anterior, o programa foi executado. Com a passagem do ECG humano, um sinal claro e estável foi visto na saída do sistema completo, o que pode ser visto na imagem acima.