Registro de sinais bioelétricos: ECG e monitor de frequência cardíaca: 7 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.

Um eletrocardiograma (ECG) é um teste no qual eletrodos de superfície são colocados em um sujeito de uma maneira especificada para detectar e medir a atividade elétrica do coração do sujeito [1]. Um ECG tem muitos usos e pode funcionar para auxiliar no diagnóstico de doenças cardíacas, testes de estresse e observação durante a cirurgia. Um ECG também pode detectar alterações nos batimentos cardíacos, arritmias, um ataque cardíaco e muitas outras experiências e doenças [1] também descritas na descrição do problema acima. O sinal cardíaco medido por um ECG produz três formas de onda distintas que representam uma alimentação viva do coração em funcionamento. Essas são mostradas na imagem acima.

O objetivo deste projeto é criar um dispositivo que possa obter o sinal de ECG de um gerador de saída ou humano e reproduzir o sinal eliminando o ruído. A saída do sistema também calculará o BPM.

Vamos começar!

Etapa 1: Reúna todos os materiais

Para criar este ECG, estaremos criando um sistema que consiste em duas partes principais, o circuito e o sistema LabVIEW. O objetivo do circuito é ter certeza de que estamos recebendo o sinal que queremos. Há muito ruído ambiente que pode abafar nosso sinal de ECG, portanto, precisamos amplificar nosso sinal e também filtrar qualquer ruído. Depois que o sinal foi filtrado e amplificado através do circuito, podemos enviar o sinal refinado para um programa do LabVIEW que exibirá a forma de onda e também calculará o BPM. Os seguintes materiais são necessários para este projeto:

-Resistor, capacitor e amplificador operacional (op-amps - UA741 foram usados) componentes elétricos

- Placa de ensaio sem solda para construção e teste

- Fonte de alimentação CC para fornecer energia aos amplificadores operacionais

- Gerador de função para fornecer sinal bioelétrico

-Osciloscópio para visualizar o sinal de entrada

- Placa DAQ para converter o sinal analógico para digital

-Software LabVIEW para observação do sinal de saída

- Cabos BNC e terminais variáveis

Etapa 2: Projetando o circuito

Como acabamos de discutir, é necessário filtrar e amplificar nosso sinal. Para fazer isso, podemos configurar 3 fases diferentes do nosso circuito. Primeiro, precisamos amplificar nosso sinal. Isso pode ser feito utilizando um amplificador de instrumentação. Desta forma, nosso sinal de entrada pode ser visto muito melhor no produto final. Precisamos então ter um filtro notch em série com este amplificador de instrumentação. O filtro notch será usado para eliminar o ruído de nossa fonte de alimentação. Depois disso, podemos ter um filtro passa-baixo. Como as leituras de ECG geralmente são de baixa frequência, queremos cortar todas as frequências que estão fora de nossos limites de leitura de ECG, portanto, usamos um filtro de passagem baixa. Esses estágios são explicados com mais detalhes nas etapas a seguir.

Se você estiver tendo problemas com seu circuito, é melhor simular seu circuito em um programa online. Dessa forma, você pode verificar se seus cálculos para os valores do resistor e do capacitor estão corretos.

Etapa 3: projetar o amplificador de instrumentação

Para observar o sinal bioelétrico com mais eficiência, o sinal precisa ser amplificado. Para este projeto, o ganho para atingir o geral é 1000 V / V. Para atingir o ganho especificado do amplificador de instrumentação, os valores de resistência para o circuito foram calculados pelas seguintes equações:

(Estágio 1) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(Estágio 2) K2 = -R4 / R3

Onde cada um dos estágios é multiplicado para calcular o ganho geral. Os valores do resistor escolhidos para criar um ganho de 1000 V / V são R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms e R4 = 330 kOhms. Use a fonte de alimentação DC para fornecer uma faixa de tensão de +/- 15 V (mantendo o limite de corrente baixo) para alimentar os amplificadores operacionais do circuito físico. Se você deseja verificar os valores reais dos resistores ou deseja obter esse ganho antes de construir, pode simular o circuito usando um programa como PSpice ou CircuitLab online, ou usar um osciloscópio com uma dada tensão de sinal de entrada e verificar o verdadeiro ganho após a construção de um amplificador físico. Conecte o gerador de função e o osciloscópio ao amplificador para operar o circuito.

A foto acima mostra a aparência do circuito no software de simulação PSpice. Para verificar se o circuito está funcionando corretamente, forneça uma onda senoidal pico a pico de 1 kHz e 10 mV do gerador de função, através do circuito e para o osciloscópio. Uma onda senoidal pico a pico de 10 V deve ser observada no osciloscópio.

Etapa 4: Projetando o Filtro Notch

Um problema específico ao lidar com este circuito é o fato de que um sinal de ruído de 60 Hz é produzido por linhas de alimentação nos Estados Unidos. Para remover esse ruído, o sinal de entrada no circuito deve ser filtrado a 60 Hz, e que melhor maneira de fazer isso do que com um filtro notch!

Um filtro de entalhe (o circuito descrito acima) é um certo tipo de filtro elétrico que pode ser usado para remover uma frequência específica de um sinal. Para remover o sinal de 60 Hz, calculamos as seguintes equações:

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Usando um fator de qualidade (Q) de 8 para projetar um filtro decentemente preciso, uma capacitância (C) de 0,033 uFarads para uma montagem mais fácil e uma frequência central (w) de 2 * pi * 60 Hz. Este calculou os valores com sucesso para os resistores R1 = 5,024 kOhms, R2 = 1,2861 MOhms e R3 = 5,004 kOhms, e criou com sucesso um filtro para remover uma frequência de 60 Hz do sinal bioelétrico de entrada. Se você deseja verificar o filtro, pode simular o circuito usando um programa como PSpice ou CircuitLab online, ou usar um osciloscópio com uma dada tensão de sinal de entrada e verificar o sinal removido após construir um amplificador físico. Conecte o gerador de função e o osciloscópio ao amplificador para operar o circuito.

Executar uma varredura CA com este circuito em uma faixa de frequências de 1 Hz a 1 kHz em um sinal de pico a pico de 1 V deve produzir um recurso do tipo "notch" em 60 Hz no gráfico de saída, que é removido da entrada sinal.

Etapa 5: projetar o filtro passa-baixa

O estágio final do circuito é o filtro passa-baixo, especificamente um filtro passa-baixo Butterworth de segunda ordem. Isso é usado para isolar nosso sinal de ECG. As formas de onda de ECG geralmente estão dentro dos limites de frequência de 0 a ~ 100 Hz. Portanto, calculamos nossos valores de resistor e capacitor com base na frequência de corte de 100 Hz e um fator de qualidade de 8, o que nos daria um filtro relativamente preciso.

R1 = 2 / (w [aC2 + sqrt (a2 + 4b (K-1))

C2 ^ 2-4b * C1 * C2) R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2)

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

Os valores que calculamos acabaram sendo R1 = 81,723kOhms, R2 = 120,92kOHms, C1 = 0,1 microFarads e C2 = 0,045 microFarads. Alimente os amplificadores operacionais com uma tensão DC de + e - 15V. Se você deseja verificar o filtro, pode simular o circuito usando um programa como PSpice ou CircuitLab online, ou usar um osciloscópio com uma dada tensão de sinal de entrada e verificar o sinal removido após construir um amplificador físico. Conecte o gerador de função e o osciloscópio ao amplificador para operar o circuito. Na frequência de corte, você deve ver uma magnitude de -3 dB. Isso indica que seu circuito está funcionando corretamente.

Etapa 6: Configurando o LabVIEW

Agora que o circuito foi criado, queremos ser capazes de interpretar nosso sinal. Para fazer isso, podemos utilizar o LabVIEW. Um assistente DAQ pode ser usado para adquirir o sinal do circuito. Após abrir o LabVIEW, configure o circuito conforme mostrado no diagrama acima. O assistente DAQ fará essa leitura de entrada do circuito e o sinal irá para o gráfico de forma de onda. Isso permitirá que você veja a forma de onda de ECG!

Em seguida, queremos calcular o BPM. A configuração acima fará isso por você. O programa funciona obtendo primeiro os valores máximos do sinal de ECG de entrada. O valor limite permite-nos detectar todos os novos valores que chegam e que atingem uma percentagem do nosso valor máximo (neste caso, 90%). As localizações desses valores são então enviadas para a matriz de indexação. Como a indexação começa em 0, queremos pegar o 0º e o 1º pontos e calcular a mudança de tempo entre eles. Isso nos dá o tempo entre as batidas. Em seguida, extrapolamos esses dados para encontrar o BPM. Especificamente, isso é feito multiplicando a saída do elemento dt e a saída da subtração entre os dois valores nas matrizes de indexação e, em seguida, dividindo por 60 (já que estamos convertendo para minutos).

Etapa 7: Conecte tudo e teste

Conecte o circuito à entrada da placa DAQ. Agora, o sinal de entrada passará pelo circuito para a placa DAQ e o programa LabVIEW emitirá a forma de onda e o BPM calculado.

Parabéns!