Interface de usuário virtual de ECG e frequência cardíaca: 9 etapas

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

Para isso, mostraremos como construir um circuito para receber seu batimento cardíaco e exibi-lo em uma interface de usuário virtual (VUI) com uma saída gráfica de seu batimento cardíaco e sua frequência cardíaca. Isso requer uma combinação relativamente simples de componentes de circuito e o software LabView para analisar e produzir os dados. 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.

Materiais

O circuito:

• Breadboard:
• Resistores:
• Capacitores:
• Op Amps:
• Fios de circuito (incluídos no link da placa de ensaio)
• Pinças de jacaré
• Acordes de banana
• Fonte de alimentação DC Agilent E3631A
• Gerador de funções
• Osciloscópio

LabView:

• Software LabView
• Placa DAQ
• Fios de circuito
• Entrada Analógica Isolada
• Gerador de funções

Etapa 1: determinar quais filtros e amplificadores usar

Para representar um sinal de ECG, três estágios diferentes do circuito foram projetados e implementados: um amplificador de instrumentação, um filtro notch e um filtro passa-baixa. O amplificador de instrumentação amplifica o sinal, visto que, quando recebido de um sujeito, costuma ser muito pequeno e difícil de ver e analisar. O filtro de corte é usado para remover ruído em 60 Hz porque um sinal de ECG não contém sinais em 60 Hz. Finalmente, o filtro passa-baixa remove as frequências mais altas para remover o ruído do sinal e, em combinação com o filtro de entalhe, permite apenas as frequências que são representadas em um sinal de ECG.

Etapa 2: construir amplificador de instrumentação e testá-lo

O amplificador deve ter um ganho de 1000 V / V e, como pode ser visto, o amplificador é composto de dois estágios. Portanto, o ganho deve ser distribuído igualmente entre os dois estágios, com K1 sendo o ganho do primeiro estágio e K2 sendo o ganho do segundo estágio. Determinamos K1 como sendo 40 e K2 como sendo 25. Esses são valores aceitáveis devido ao fato de que quando multiplicados juntos, um ganho de 1000 V / V é obtido, 40 x 25 = 1000, e eles são de quantidade comparável, com um variação de 15 V / V. Usando esses valores para o ganho, as resistências adequadas podem ser calculadas. As seguintes equações são usadas para esses cálculos:

Ganho de estágio 1: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Ganho do Estágio 2: K2 = -R4R3 (2)

Escolhemos arbitrariamente um valor de R1, neste caso era 1 kΩ, e depois resolvemos para o valor de R2. Conectando esses valores anteriores à equação para o ganho do estágio 1, obtemos:

40 = 1 + 2R2 * 1000⇒R2 = 19, 500 Ω

É importante garantir que, ao escolher as resistências, elas estejam na faixa de kOhm por causa da regra de que quanto maior for o resistor, mais potência pode ser dissipada com segurança sem sofrer danos. Se a resistência for muito pequena e houver uma corrente muito grande, haverá dano ao resistor e, além disso, o próprio circuito não será capaz de funcionar. Seguindo o mesmo protocolo para o estágio 2, escolhemos arbitrariamente um valor de R3, 1 kΩ, e então resolvemos para R4. Inserindo os valores anteriores na equação para o ganho do estágio 2, obtemos: 25 = -R4 * 1000 ⇒ R4 = 25000 Ω

O sinal negativo é negado porque as resistências não podem ser negativas. Depois de ter esses valores, construa o seguinte circuito ilustrado. Em seguida, teste!

A fonte de alimentação DC E3631A da Agilent alimenta os amplificadores operacionais com uma saída de +15 V e -15 V indo para os pinos 4 e 7. Defina o gerador de função para emitir uma forma de onda cardíaca com uma frequência de 1 kHz, um Vpp de 12,7 mV, e um deslocamento de 0 V. Esta entrada deve ser para o pino 3 dos amplificadores operacionais no primeiro estágio do circuito. A saída do amplificador, proveniente do pino 6 do amplificador operacional do segundo estágio, é exibida no canal 1 do osciloscópio e a tensão pico a pico é medida e registrada. Para garantir que o amplificador de instrumentação tenha um ganho de pelo menos 1000 V / V, a tensão pico a pico deve ser de pelo menos 12,7 V.

Etapa 3: construir filtro notch e testá-lo

O filtro de entalhe é necessário para remover o ruído de 60 Hz do biossinal. Além desse requisito, como este filtro não precisa incluir nenhuma amplificação adicional, o fator de qualidade é definido como 1. Como com o amplificador de instrumentação, primeiro determinamos os valores para R1, R2, R3 e C usando o design a seguir equações para um filtro de entalhe: R1 = 1 / (2Q⍵0C)

R2 = 2Q / (⍵0C)

R3 = R1R / (2R1 + R2)

Q = ⍵0 / β

β = ⍵c2 -⍵c1

Onde Q = fator de qualidade

⍵0 = 2πf0 = frequência central em rad / s

f0 = frequência central em Hz

β = largura de banda em rad / s

⍵c1, ⍵c2 = frequências de corte (rad / seg)

Escolhemos arbitrariamente um valor de C, neste caso era 0,15 µF, e depois resolvemos para o valor de R1. Conectando os valores anteriores listados de fator de qualidade, frequência central e capacitância, obtemos:

R1 = 1 / (2 (1) (2π60) (0,15x10-6)) = 1105,25 Ω

Conforme mencionado acima, ao discutir o projeto do amplificador de instrumentação, ainda é importante certificar-se de que, ao resolver as resistências, elas estejam na faixa de kOhm, de forma que nenhum dano seja causado ao circuito. Se ao resolver as resistências, uma for muito pequena, um valor deve ser alterado, como a capacitância, para garantir que isso não ocorra. Da mesma forma que resolver a equação para R1, R2 e R3 pode ser resolvido:

R2 = 2 (1) / [(2π60) (0,15x10-6)] = 289,9 kΩ

R3 = (1105,25) (289,9x103) / [(1105,25) + (289,9x103)] = 1095,84 Ω

Além disso, resolva para a largura de banda a fim de tê-la como um valor teórico para comparar com o valor experimental mais tarde:

1 = (2π60) / β⇒β = 47,12 rad / s

Depois de saber os valores de resistência, crie um circuito na placa de ensaio.

Apenas este estágio do circuito deve ser testado neste ponto, portanto, não deve ser conectado ao amplificador de instrumentação. A fonte de alimentação DC Agilent E3631A é usada para alimentar o amplificador operacional com uma saída de +15 V e -15 V indo para os pinos 4 e 7. O gerador de função é configurado para emitir uma forma de onda senoidal com uma frequência inicial de 10 Hz, a Vpp de 1 V e um deslocamento de 0 V. A entrada positiva deve ser conectada a R1 e a entrada negativa deve ser conectada ao aterramento. A entrada também deve ser conectada ao canal 1 do osciloscópio. A saída do filtro de entalhe, proveniente do pino 6 do amplificador operacional, é exibida no canal 2 do osciloscópio. Uma varredura CA é medida e registrada variando a frequência de 10 Hz a 100 Hz. A frequência pode ser aumentada em incrementos de 10 Hz até atingir a frequência de 50. Em seguida, incrementos de 2 Hz são usados até 59 Hz. Uma vez que 59 Hz é alcançado, incrementos de 0,1 Hz devem ser tomados. Então, após atingir 60 Hz, os incrementos podem ser aumentados novamente. A relação Vout / Vin e o ângulo de fase devem ser registrados. Se a relação Vout / Vin não for menor ou igual a -20 dB a 60 Hz, os valores de resistência precisam ser alterados para garantir essa relação. Um gráfico de resposta em frequência e um gráfico de resposta de fase são então construídos a partir desses dados. A resposta de frequência deve ser parecida com a do gráfico, o que prova que frequências em torno de 60 Hz foram removidas, que é o que você quer!

Etapa 4: construir filtro passa-baixa e testá-lo

A frequência de corte do filtro passa-baixa é determinada como 150 Hz. Esse valor foi escolhido porque você deseja reter todas as frequências presentes no ECG enquanto remove o excesso de ruído, especificamente encontrado em frequências mais altas. A frequência da onda T está na faixa de 0 a 10 Hz, a onda P na faixa de 5 a 30 Hz e o complexo QRS na faixa de 8 a 50 Hz. No entanto, a condução ventricular anormal é caracterizada por frequências mais altas, geralmente acima de 70 Hz. Portanto, 150 Hz foi escolhido como a frequência de corte para garantir que possamos capturar todas as frequências, mesmo as frequências mais altas, enquanto cortamos o ruído de alta frequência. Além da frequência de corte de 150 Hz, o fator de qualidade, K, é definido como 1 porque nenhuma amplificação adicional é necessária. Primeiro determinamos os valores para R1, R2, R3, R4, C1 e C2 usando as seguintes equações de design para um filtro passa-baixa:

R1 = 2 / [⍵c [aC2 + sqrt ([a ^ 2 + 4b (K -1)] C2 ^ 2 - 4bC1C2)]

R2 = 1 / [bC1C2R1⍵c ^ 2]

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

R4 = K (R1 + R2)

C2 cerca de 10 / fc uF

C1 <C2 [a2 + 4b (K -1)] 4b

Onde K = ganho

⍵c = frequência de corte (rad / s)

fc = frequência de corte (Hz)

a = coeficiente de filtro = 1,414214

b = coeficiente de filtro = 1

Como o ganho é 1, R3 é substituído por um circuito aberto e R4 é substituído por um curto-circuito, o que o torna um seguidor de tensão. Portanto, esses valores não precisam ser resolvidos. Primeiro, resolvemos o valor de C2. Conectando os valores anteriores a essa equação, obtemos:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Então, C1 pode ser resolvido usando o valor de C2.

C1 <(0,047x10 ^ -6) [1,414214 ^ 2 + 4 (1) (1 -1)] / 4 (1)

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

Uma vez que os valores de capacitância foram resolvidos, R1 e R2 podem ser calculados da seguinte forma:

R1 = 2 (2π150) [(1,414214) (0,047x10-6) + ([1,4142142 + 4 (1) (1 -1)] 0,047x10-6) 2 - 4 (1) (0,022x10-6) (0,047 x10-6))] R1 = 25486,92 Ω

R2 = 1 (1) (0,022x10-6) (0,047x10-6) (25486,92) (2π150) 2 = 42718,89 Ω

Com as resistências corretas, construa o circuito visto no diagrama de circuito.

Este é o último estágio do design geral e deve ser construído na placa de ensaio diretamente à esquerda do filtro de entalhe com a saída do filtro de entalhe e a tensão de entrada para o filtro de passagem baixa. Este circuito deve ser construído usando a mesma placa de ensaio de antes, com as resistências e capacitâncias calculadas corretamente e um amplificador operacional. Uma vez que o circuito é construído usando o diagrama de circuito da figura 3, ele é testado. Apenas este estágio deve ser testado neste ponto, portanto, não deve ser conectado ao amplificador de instrumentação ou ao filtro notch. Portanto, a fonte de alimentação CC Agilent E3631A é usada para alimentar o amplificador operacional com uma saída de +15 e -15 V indo para os pinos 4 e 7. O gerador de função é configurado para emitir uma forma de onda senoidal com uma frequência inicial de 10 Hz, um Vpp de 1 V e um deslocamento de 0 V. A entrada positiva deve ser conectada a R1 e a entrada negativa deve ser conectada ao aterramento. A entrada também deve ser conectada ao canal 1 do osciloscópio. A saída do filtro de entalhe, proveniente do pino 6 do amplificador operacional, é exibida no canal 2 do osciloscópio. Uma varredura CA é medida e registrada variando a frequência de 10 Hz a 300 Hz. A frequência pode ser aumentada em incrementos de 10 Hz até atingir a frequência de corte de 150 Hz. Em seguida, a frequência deve ser aumentada em 5 Hz até atingir 250 Hz. Incrementos maiores de 10 Hz podem ser usados para finalizar a varredura. A relação Vout / Vin e o ângulo de fase são registrados. Se a frequência de corte não for 150 Hz, os valores de resistência precisam ser alterados para garantir que esse valor seja de fato a frequência de corte. O gráfico de resposta de frequência deve ser semelhante à imagem, onde você pode ver que a frequência de corte está em torno de 150Hz.

Etapa 5: combinar todos os 3 componentes e simular eletrocardiograma (ECG)

Conecte todos os três estágios adicionando um fio entre o último componente do circuito do componente anterior e o início do próximo componente. O circuito completo é visto no diagrama.

Usando o gerador de função, simule outro sinal de ECG por Se os componentes foram construídos e conectados com sucesso, sua saída no osciloscópio deve ser parecida com a da imagem.

Etapa 6: Configurar placa DAQ

Acima da placa DAQ pode ser vista. Conecte-o na parte traseira do computador para ligá-lo e coloque a Entrada Analógica Isolada no canal 8 da placa (ACH 0/8). Insira dois fios nos orifícios rotulados '1' e '2' da entrada analógica isolada. Configure o gerador de função para emitir um sinal de ECG de 1 Hz com um Vpp de 500 mV e um deslocamento de 0 V. Conecte a saída do gerador de função aos fios colocados na entrada analógica isolada.

Etapa 7: Abra o LabView, crie um novo projeto e configure o DAQ Assistant

Abra o software LabView e crie um novo projeto e abra um novo VI no menu suspenso de arquivo. Clique com o botão direito na página para abrir uma janela do componente. Procure por ‘DAQ Assistant Input’ e arraste-o para a tela. Isso abrirá automaticamente a primeira janela.

Selecione Acquire Signals> Analog Input> Voltage. Isso abrirá a segunda janela.

Selecione ai8 porque você colocou sua entrada analógica isolada no canal 8. Selecione Concluir para abrir a última janela.

Altere o modo de aquisição para amostras contínuas, as amostras a ler para 2k e a taxa para 1kHz. Em seguida, selecione Executar na parte superior da janela e uma saída como a exibida acima deve ser exibida. Se o sinal de ECG estiver invertido, simplesmente mude as conexões do gerador de função para a placa DAQ ao redor. Isso mostra que você está adquirindo um sinal de ECG com sucesso! (Oba!) Agora você precisa codificá-lo para analisá-lo!

Etapa 8: Codifique o LabView para analisar os componentes do sinal de ECG e calcular a pulsação

Use os símbolos da imagem no LabView

Você já instalou o DAQ Assistant. O DAQ Assistant recebe o sinal de entrada, que é um sinal de tensão analógico, simulado por um gerador de função ou recebido diretamente de uma pessoa conectada a eletrodos adequadamente colocados. Em seguida, ele pega esse sinal e o executa através de um conversor A / D com amostragem contínua e parâmetros de 2.000 amostras a serem lidas, uma taxa de amostragem de 1 kHz e com valores de tensão máx. E mín. Sendo 10 V e -10 V, respectivamente. Este sinal adquirido é então emitido em um gráfico para que possa ser visto visualmente. Ele também pega essa forma de onda convertida e adiciona 5, para garantir que seja responsável por um deslocamento negativo, e é então multiplicado por 200 para tornar os picos mais distintos, maiores e mais fáceis de analisar. Em seguida, ele determina o valor máximo e mínimo da forma de onda dentro da janela fornecida de 2,5 segundos por meio do operando máximo / mínimo. O valor máximo calculado precisa ser multiplicado por uma porcentagem que pode ser alterada, mas geralmente é 90% (0,9). Esse valor é então adicionado ao valor mínimo e enviado para o operando de detecção de pico como o limite. Como resultado, cada ponto do gráfico de forma de onda que excede esse limite é definido como um pico e salvo como uma matriz de picos no operador do detector de pico. Essa matriz de picos é então enviada para duas funções diferentes. Uma dessas funções recebe a matriz de pico e a saída da forma de onda do operador de valor máximo. Dentro desta função, dt, essas duas entradas são convertidas em um valor de tempo para cada um dos picos. A segunda função consiste em dois operadores de índice que pegam as saídas de localização da função de detecção de pico e as indexam separadamente para obter as localizações do 0º pico e do 1º pico. A diferença entre essas duas localizações é calculada pelo operador menos e então multiplicada pelos valores de tempo obtidos da função dt. Isso gera o período, ou o tempo entre dois picos em segundos. Por definição, 60 dividido pelo período dá BPM. Esse valor é então executado por meio de um operando absoluto para garantir que a saída seja sempre positiva e, em seguida, arredondado para o número inteiro mais próximo. Esta é a etapa final do cálculo e, finalmente, da saída da freqüência cardíaca na mesma tela que a saída da forma de onda. No final, é assim que o diagrama de blocos deve se parecer com a primeira imagem.

Depois de completar o diagrama de blocos, se você executar o programa, deverá obter a saída ilustrada.

Etapa 9: Combine o circuito e os componentes do LabView e conecte-se a uma pessoa real

Agora a parte divertida! Combinando seu belo circuito e o programa LabView para adquirir um ECG real e calcular sua freqüência cardíaca. Para modificar o circuito para ficar em conformidade com um humano e produzir um sinal viável, o ganho do amplificador de instrumentação deve ser reduzido para um ganho de 100. Isso se deve ao fato de que, quando conectado a uma pessoa, há um deslocamento que então satura o amplificador operacional. Ao diminuir o ganho, isso reduzirá esse problema. Primeiro, o ganho do primeiro estágio do amplificador de instrumentação é alterado para um ganho de 4 de modo que o ganho geral seja 100. Então, usando a equação 1, R2 é definido como 19,5 kΩ e R1 é encontrado da seguinte maneira:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 kΩ Então, o amplificador de instrumentação é modificado alterando a resistência de R1 para 13 kΩ conforme mostrado na etapa 2 no breadboard construído anteriormente. Todo o circuito está conectado e o circuito pode ser testado usando LabView. A fonte de alimentação DC E3631A da Agilent alimenta os amplificadores operacionais com uma saída de +15 V e -15 V indo para os pinos 4 e 7. Os eletrodos de ECG são conectados ao sujeito com a derivação positiva (G1) indo para o tornozelo esquerdo, o terminal negativo (G2) indo para o punho direito e o solo (COM) indo para o tornozelo direito. A entrada humana deve ser no pino 3 dos amplificadores operacionais no primeiro estágio do circuito com o fio positivo conectado ao pino 3 do primeiro amplificador operacional e o fio negativo conectado ao pino 3 do segundo amplificador operacional. O aterramento se conecta ao aterramento da placa de ensaio. A saída do amplificador, proveniente do pino 6 do filtro passa-baixa, é conectada à placa DAQ. Certifique-se de estar bem quieto e você deve obter uma saída no LabView que se pareça com a da imagem.

Este sinal é obviamente muito mais ruidoso do que o sinal perfeito simulado pelo gerador de função. Como resultado, sua freqüência cardíaca vai pular muito, mas deve flutuar em uma faixa de 60-90 BPM. E aí está! Uma maneira divertida de medir nossa própria freqüência cardíaca criando um circuito e codificando algum software!