ECG e monitor digital de frequência cardíaca: 7 etapas (com fotos)

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

Um eletrocardiograma, ou ECG, é um método muito antigo de medir e analisar a saúde do coração. O sinal que é lido de um ECG pode indicar um coração saudável ou uma série de problemas. Um projeto confiável e preciso é importante porque se o sinal de ECG mostrar uma forma de onda deformada ou batimento cardíaco incorreto, uma pessoa pode ser diagnosticada incorretamente. O objetivo é projetar um circuito de ECG que seja capaz de adquirir, amplificar e filtrar o sinal de ECG. Em seguida, converta esse sinal por meio de um conversor A / D no Labview para produzir um gráfico em tempo real e a pulsação em BPM do sinal de ECG. A forma de onda de saída deve ser semelhante a esta imagem.

Este não é um dispositivo médico. É apenas para fins educacionais, usando sinais simulados. Se estiver usando este circuito para medições de ECG reais, certifique-se de que o circuito e as conexões de circuito para instrumento estão utilizando técnicas de isolamento adequadas

Etapa 1: Projetando o circuito

O circuito deve ser capaz de adquirir e amplificar um sinal de ECG. Para fazer isso, combinaremos três filtros ativos; um amplificador de instrumentação, um filtro passa-baixa Butterworth de segunda ordem e um filtro Notch. O desenho desses circuitos pode ser visto nas imagens. Iremos examiná-los um de cada vez e, em seguida, colocá-los juntos para completar o circuito completo.

Etapa 2: amplificador de instrumentação

O ganho do amplificador de instrumentação deve ser 1000 V / V para obter um bom sinal. A amplificação por meio do amplificador de instrumentação ocorre em duas etapas. O primeiro estágio consiste nos dois amplificadores operacionais à esquerda e nos resistores R1 e R2 e o segundo estágio de amplificação consiste no amplificador operacional à direita e nos resistores R3 e R4. O ganho (amplificação) para o estágio 1 e estágio 2 são dados na equação (1) e (2).

Ganho do estágio 1: K1 = 1 + (2R2 / R1) (1)

Ganho do estágio 2: K2 = R4 / R3 (2)

Uma observação importante sobre o ganho em circuitos é que ele é multiplicativo; por exemplo. o ganho do circuito geral na Figura 2 é K1 * K2. Essas equações produzem os valores mostrados no esquema. Os materiais necessários para este filtro são três amplificadores operacionais LM741, três resistores de 1k ohm, dois resistores de 24,7 kohm e dois resistores de 20 kohm.

Etapa 3: Filtro de entalhe

O próximo estágio é um Filtro Notch para eliminar o ruído a 60 Hz. Essa frequência precisa ser cortada porque há muito ruído extra a 60 Hz devido à interferência da linha de energia, mas não tirará nada significativo do sinal de ECG. Os valores dos componentes usados no circuito são baseados na frequência que você deseja filtrar, neste caso 60 Hz (377 rad / s). As equações dos componentes são as seguintes

R1 = 1 / (6032 * C)

R2 = 16 / (377 * C)

R3 = (R1R2) / (R1 + R2)

Os materiais necessários para isso foram um amplificador operacional LM741, três resistores com valores de 1658 ohm, 424,4 kohm e 1651 ohms e 3 capacitores, dois a 100 nF e um a 200 nF.

Etapa 4: Filtro passa-baixo

O estágio final é um filtro passa-baixo Butterworth de segunda ordem com uma frequência de corte de 250 Hz. Essa é a frequência de corte porque um sinal de ECG atinge no máximo 250 Hz. As equações para os valores dos componentes do filtro são definidas nas seguintes equações:

R1 = 2 / (1571 (1.4C2 + classificar (1.4 ^ 2 * C2 ^ 2 - 4C1C2)))

R2 = 1 / (1571 * C1 * C2 * R1)

C1 <(C2 * 1,4 ^ 2) / 4

Os materiais necessários para este filtro foram um LM741 op amp, dois resistores de 15,3 kohm e 25,6 kohm, e dois capacitores de 47 nF e 22 nF.

Depois que todos os três estágios forem projetados e construídos, o circuito final deve se parecer com a foto.

Etapa 5: Testando o circuito

Depois que o circuito é construído, ele precisa ser testado para garantir que está funcionando corretamente. Uma varredura AC precisa ser executada em cada filtro usando um sinal de entrada cardíaco a 1 Hz de um gerador de voltagem. A resposta de magnitude em dB deve ser semelhante às imagens. Se os resultados da varredura CA estiverem corretos, o circuito está concluído e pronto para ser usado. Se as respostas não estiverem corretas, o circuito precisa ser depurado. Comece verificando todas as conexões e entradas de energia para garantir que tudo tenha uma boa conexão. Se isso não resolver o problema, use as equações dos componentes dos filtros para ajustar os valores das resistências e dos capacitores conforme necessário até que a saída esteja onde deveria estar.

Etapa 6: Construindo um VUI no Labview

Labview é um software de aquisição de dados digital que permite ao usuário projetar um VUI, ou interface de usuário virtual. Uma placa DAQ é um conversor A / D que pode converter e transmitir o sinal de ECG para o Labview. Usando este software, o sinal de ECG pode ser plotado em um gráfico de amplitude vs. tempo para ler claramente o sinal e então converter o sinal em uma pulsação em BPM. A primeira coisa necessária para isso é uma placa DAQ que adquire dados e os converte em um sinal digital para enviar para o Labview no computador. A primeira coisa que precisava ser adicionada ao design do Labview era o DAQ Assistant, que adquire o sinal da placa DAQ e define os parâmetros de amostragem. A próxima etapa é conectar um gráfico de forma de onda à saída do assistente DAQ no design VUI que plota o sinal de ECG mostrando a forma de onda de ECG. Agora que o gráfico da forma de onda está completo, os dados também precisam ser convertidos para produzir uma saída numérica da freqüência cardíaca. A primeira etapa neste cálculo foi encontrar o máximo dos dados de ECG conectando o elemento max / min à saída dos dados DAQ no VUI e, em seguida, enviá-los a outro elemento denominado detecção de pico e a um elemento que encontraria o mudança no tempo chamada dt. O elemento de detecção de pico também precisava de um limite do máximo / mínimo que foi calculado tomando o máximo do elemento máximo mínimo e multiplicando-o por 0,8, para encontrar 80% do valor máximo, então inserido no elemento de detecção de pico. Este limite permitiu que o elemento de detecção de pico encontrasse o máximo da onda R e a localização em que o máximo ocorreu, enquanto ignorava os outros picos do sinal. As localizações dos picos foram então enviadas para um elemento de matriz de índice adicionado a seguir no VUI. O elemento da matriz de índice foi definido para armazenar na matriz com um índice começando em 0 e, em seguida, outro começando com um índice de 1. Em seguida, esses foram subtraídos um do outro para encontrar a diferença dos dois locais de pico, que corresponde ao número de pontos entre cada pico. O número de pontos multiplicado pela diferença de tempo entre cada ponto fornece o tempo que leva para cada batida ocorrer. Isso foi realizado multiplicando-se a saída do elemento dt e a saída da subtração das duas matrizes. Esse número foi então dividido por 60, para encontrar as batidas por minuto, e depois enviado usando um elemento indicador numérico no VUI. A configuração do projeto VUI no Labview é mostrada na Figura.

Etapa 7: Junte tudo isso

Assim que o VUI for concluído no Labview, a etapa final é conectar o circuito à placa DAQ, de forma que o sinal passe pelo circuito, para a placa e, em seguida, para o Labview. Se tudo funcionar corretamente, um sinal de 1 Hz deve produzir a forma de onda mostrada na figura e um batimento cardíaco de 60 batimentos por minuto. Agora você tem um ECG e um monitor digital de freqüência cardíaca funcionando.