ECG digital e monitor de freqüência cardíaca: 8 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 a energia da bateria e outras técnicas de isolamento adequadas

Um eletrocardiograma (ECG) registra sinais elétricos durante o ciclo cardíaco. Cada vez que o coração bate, ocorre um ciclo de despolarização e hiperpolarização das células miocárdicas. A despolarização e a hiperpolarização podem ser registradas por eletrodos, e os médicos leem essas informações para aprender mais sobre como o coração está funcionando. Um ECG pode determinar um infarto do miocárdio, fibrilação atrial ou ventricular, taquicardia e bradicardia [1]. Depois de determinar qual é o problema do ECG, os médicos podem diagnosticar e tratar o paciente com sucesso. Siga as etapas abaixo para aprender como fazer seu próprio dispositivo de gravação de eletrocardiograma!

Etapa 1: Materiais

Componentes do circuito:

• Cinco amplificadores operacionais UA741
• Resistores
• Capacitores
• Fios de ligação
• Placa DAQ
• Software LabVIEW

Equipamento de teste:

• Gerador de funções
• Fonte de alimentação DC
• Osciloscópio
• Cabos BNC e divisor em T
• Cabos jumper
• Pinças de jacaré
• Tampões de banana

Etapa 2: amplificador de instrumentação

O primeiro estágio do circuito é um amplificador de instrumentação. Isso amplifica o sinal biológico para que os diferentes componentes do ECG possam ser distinguidos.

O diagrama de circuito do amplificador de instrumentação é mostrado acima. O ganho do primeiro estágio deste circuito é definido como K1 = 1 + 2 * R2 / R1. O ganho do segundo estágio do circuito é definido como K2 = R4 / R3. O ganho geral do amplificador de instrumentação é K1 * K2. O ganho desejado para este projeto era de aproximadamente 1000, então K1 foi escolhido como 31 e K2 foi escolhido como 33. Os valores do resistor para esses ganhos são mostrados acima no diagrama do circuito. Você pode usar os valores do resistor mostrados acima ou pode modificar os valores para atender ao ganho desejado. **

Depois de escolher os valores dos componentes, o circuito pode ser construído na placa de ensaio. Para simplificar as conexões do circuito na placa de ensaio, o trilho horizontal negativo na parte superior foi definido como aterramento, enquanto os dois trilhos horizontais na parte inferior foram definidos para +/- 15 V respectivamente.

O primeiro amplificador operacional foi colocado no lado esquerdo da placa de ensaio para deixar espaço para todos os componentes restantes. Os anexos foram adicionados em ordem cronológica dos pinos. Isso torna mais fácil acompanhar quais peças foram adicionadas ou não. Uma vez que todos os pinos estejam completos para o amplificador operacional 1, o próximo amplificador operacional pode ser colocado. Mais uma vez, certifique-se de que está relativamente perto para deixar espaço. O mesmo processo de pin cronológico foi concluído para todos os amplificadores operacionais até que o amplificador de instrumentação estivesse completo.

Capacitores de derivação foram então adicionados além do diagrama de circuito para eliminar o acoplamento CA nos fios. Esses capacitores foram colocados em paralelo com a alimentação de tensão CC e aterrados no trilho negativo horizontal superior. Esses capacitores devem estar na faixa de 0,1 a 1 microFarad. Cada amplificador operacional tem dois capacitores de bypass, um para o pino 4 e um para o pino 7. Os dois capacitores em cada amplificador operacional devem ter o mesmo valor, mas podem variar de um amplificador operacional para outro.

Para testar a amplificação, um gerador de função e um osciloscópio foram conectados na entrada e na saída do amplificador, respectivamente. O sinal de entrada também foi conectado ao osciloscópio. Uma onda senoidal simples foi usada para determinar a amplificação. Insira a saída do gerador de função nos dois terminais de entrada do amplificador de instrumentação. Configure o osciloscópio para medir a relação entre o sinal de saída e o sinal de entrada. O ganho de um circuito em decibéis é Ganho = 20 * log10 (Vout / Vin). Para um ganho de 1000, o ganho em decibéis é 60dB. Usando o osciloscópio, você pode determinar se o ganho do circuito construído atende às suas especificações ou se você precisa alterar alguns valores do resistor para melhorar o circuito.

Uma vez que o amplificador de instrumentação esteja corretamente montado e funcionando, você pode passar para o filtro de entalhe.

** No diagrama de circuito acima, R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Etapa 3: Filtro de entalhe

O objetivo do filtro de entalhe é remover o ruído da fonte de alimentação de parede de 60 Hz. Um filtro notch atenua o sinal na frequência de corte e passa as frequências acima e abaixo dela. Para este circuito, a frequência de corte desejada é 60 Hz.

As equações que regem o diagrama de circuito mostrado acima são R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) e R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), onde Q é o fator de qualidade ew é 2 * pi * (frequência de corte). Um fator de qualidade de 8 fornece valores de resistor e capacitor em uma faixa razoável. Os valores do capacitor podem ser considerados iguais. Assim, você pode escolher um valor de capacitor disponível em seus kits. Os valores do resistor mostrados no circuito acima são para uma frequência de corte de 60 Hz, um fator de qualidade de 8 e um valor de capacitor de 0,22 uF.

Uma vez que os capacitores somam em paralelo, dois capacitores do valor escolhido C foram colocados em paralelo para atingir um valor de 2C. Além disso, capacitores de bypass foram adicionados ao amplificador operacional.

Para testar o filtro de entalhe, conecte a saída do gerador de função à entrada do filtro de entalhe. Observe a entrada e a saída do circuito em um osciloscópio. Para ter um filtro notch eficaz, você deve ter um ganho menor ou igual a -20dB na frequência de corte. Como os componentes não são ideais, isso pode ser difícil de conseguir. Os valores calculados do resistor e do capacitor podem não fornecer o ganho desejado. Isso exigirá que você faça alterações nos valores do resistor e do capacitor.

Para fazer isso, concentre-se em um componente de cada vez. Aumente e diminua o valor de um único componente sem alterar nenhum outro. Observe os efeitos que isso tem no ganho do circuito. Isso pode exigir muita paciência para atingir o ganho desejado. Lembre-se de que você pode adicionar resistores em série para aumentar ou diminuir os valores dos resistores. A mudança que melhorou nosso ganho foi aumentar um dos capacitores para 0,33 uF.

Etapa 4: Filtro passa-baixo

O filtro passa-baixo remove o ruído de alta frequência que pode interferir no sinal de ECG. Um corte de passagem baixa de 40 Hz é suficiente para capturar as informações da forma de onda de ECG. No entanto, alguns componentes do ECG excedem 40 Hz. Um corte de 100 Hz ou 150 Hz também pode ser usado [2].

O filtro passa-baixo construído é um filtro Butterworth de segunda ordem. Como o ganho do nosso circuito é determinado pelo amplificador de instrumentação, queremos um ganho de 1 dentro da banda para o filtro passa-baixo. Para um ganho de 1, RA está em curto-circuito e RB está em circuito aberto no diagrama de circuito acima [3]. No circuito, C1 = 10 / (fc) uF, onde fc é a frequência de corte. C1 deve ser menor ou igual a C2 * a ^ 2 / (4 * b). Para um filtro Butterworth de segunda ordem, a = sqrt (2) e b = 1. Colocando os valores para a e b, a equação para C2 simplifica para menor ou igual a C1 / 2. Então R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a ^ 2 * C2 ^ 2 - 4 * b * C1 * C2))] e R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2), onde w = 2 * pi * fc. Os cálculos para este circuito foram concluídos a fim de fornecer um corte de 40Hz. Os valores do resistor e do capacitor que atendem a essas especificações são mostrados no diagrama de circuito acima.

O amplificador operacional foi colocado no lado direito da placa de ensaio, pois nenhum outro componente será adicionado depois dele. Resistores e capacitores foram adicionados ao amplificador operacional para completar o circuito. Capacitores de bypass também foram adicionados ao amplificador operacional. O terminal de entrada foi deixado vazio, pois a entrada virá do sinal de saída do filtro notch. No entanto, para fins de teste, um fio foi colocado no pino de entrada para poder isolar o filtro passa-baixo e testá-lo individualmente.

Uma onda senoidal do gerador de função foi usada como sinal de entrada e observada em diferentes frequências. Observe os sinais de entrada e saída em um osciloscópio e determine o ganho do circuito em diferentes frequências. Para um filtro passa-baixas, o ganho na frequência de corte deve ser -3db. Para este circuito, o corte deve ocorrer em 40 Hz. Frequências abaixo de 40 Hz devem ter pouca ou nenhuma atenuação em sua forma de onda, mas conforme a frequência aumenta acima de 40 Hz, o ganho deve continuar a diminuir.

Etapa 5: Montagem das fases do circuito

Depois de construir cada estágio do circuito e testá-los independentemente, você pode conectá-los todos. A saída do amplificador de instrumentação deve ser conectada à entrada do filtro notch. A saída do filtro de entalhe deve ser conectada à entrada do filtro de passagem baixa.

Para testar o circuito, conecte a entrada do gerador de função à entrada do estágio do amplificador de instrumentação. Observe a entrada e a saída do circuito em um osciloscópio. Você pode testar com uma onda de ECG pré-programada do gerador de função ou com uma onda senoidal e observar os efeitos do seu circuito. Na imagem do osciloscópio acima, a curva amarela é a forma de onda de entrada e a curva verde é a saída.

Depois de conectar todos os estágios do seu circuito e demonstrar que funciona corretamente, você pode conectar a saída do seu circuito à placa DAQ e começar a programar no LabVIEW.

Etapa 6: Programa LabVIEW

O código do LabVIEW serve para detectar os batimentos por metro de uma onda de ECG simulada em diferentes frequências. Para programar no LabVIEW, você deve primeiro identificar todos os componentes. Um conversor analógico para digital, também conhecido como placa de aquisição de dados (DAQ), deve ser configurado e configurado para funcionar continuamente. O sinal de saída do circuito é conectado à entrada da placa DAQ. O gráfico de forma de onda no programa LabVIEW é conectado diretamente à saída do DAQ Assistant. A saída dos dados DAQ também vai para o identificador máximo / mínimo. O sinal então passa por um operador aritmético de multiplicação. O indicador numérico de 0,8 é usado para calcular o valor limite. Quando o sinal excede 0,8 * máximo, um pico é detectado. Sempre que esse valor era encontrado, ele era armazenado na matriz de índice. Os dois pontos de dados são armazenados na matriz de índice e são inseridos no operador aritmético de subtração. A mudança no tempo foi encontrada entre esses dois valores. Então, para calcular a freqüência cardíaca, 60 é dividido pela diferença de tempo. Um indicador numérico, que é mostrado ao lado do gráfico de saída, fornece a freqüência cardíaca em batimentos por minuto (bpm) do sinal de entrada. Uma vez que o programa esteja configurado, ele deve ser colocado dentro de um loop while contínuo. Diferentes entradas de frequência fornecem diferentes valores de bpm.

Etapa 7: coletar dados de ECG

Agora você pode inserir um sinal de ECG simulado em seu circuito e registrar dados em seu programa LabVIEW! Altere a frequência e a amplitude do ECG simulado para ver como isso afeta os dados registrados. Conforme muda a frequência, você deve ver uma mudança na frequência cardíaca calculada. Você projetou com sucesso um ECG e um monitor de freqüência cardíaca!

Etapa 8: Outras melhorias

O dispositivo construído funcionará bem para adquirir sinais de ECG simulados. No entanto, se desejar gravar sinais biológicos (certifique-se de seguir as precauções de segurança apropriadas), outras modificações devem ser feitas nos circuitos para melhorar a leitura do sinal. Um filtro passa-alta deve ser adicionado para remover o deslocamento DC e artefatos de movimento de baixa frequência. O ganho do amplificador de instrumentação também deve ser reduzido em dez vezes para ficar dentro da faixa utilizável para o LabVIEW e os amplificadores operacionais.

Fontes

[1] S. Meek e F. Morris, “Introdução. II - terminologia básica.”, BMJ, vol. 324, no. 7335, pp. 470–3, fevereiro de 2002.

[2] Chia-Hung Lin, recursos de domínio de frequência para discriminação de batimento de ECG usando classificador baseado em análise relacional cinza, In Computers & Mathematics with Applications, Volume 55, Edição 4, 2008, Páginas 680-690, ISSN 0898-1221, [3] “Filtro de segunda ordem | Projeto de filtro passa-baixa de segunda ordem.” Tutoriais de eletrônica básica, 9 de setembro de 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…