Circuit ECG (PSpice, LabVIEW, Breadboard): 3 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:46

Notă: Acesta NU este un dispozitiv medical. Aceasta este în scopuri educaționale numai folosind semnale simulate. Dacă utilizați acest circuit pentru măsurători reale ECG, vă rugăm să vă asigurați că circuitul și conexiunile circuit-instrument folosesc tehnici de izolare adecvate

Acest instructable este un mod ghidat de a simula, construi și testa un circuit care preia, filtrează și amplifică semnalele ECG. Veți avea nevoie de cunoștințe de bază despre circuite și câteva instrumente pentru a implementa integral acest instructable.

Electrocardiografia (ECG sau EKG) este un test nedureros, neinvaziv, care înregistrează activitatea electrică a inimii și este utilizat pentru a obține informații despre starea inimii pacientului. Pentru a simula cu succes o citire ECG, semnalele cardiace de intrare trebuie amplificate (amplificator de instrumentație) și filtrate (filtre cu crestătură și trecere joasă). Aceste componente au fost create fizic și pe un simulator de circuit. Pentru a vă asigura că fiecare componentă amplifică sau filtrează corect semnalul, se poate efectua o măturare de curent alternativ folosind PSpice și experimental. După testarea cu succes a fiecărei componente în mod individual, un semnal cardiac poate fi introdus printr-un circuit complet format din amplificatorul de instrumentație, filtru de notch și filtru de trecere jos. După aceea, un semnal ECG uman poate fi introdus prin ECG și LabVIEW. Atât forma de undă simulată, cât și semnalul cardiac uman pot fi rulate prin LabVIEW pentru a număra bătăile pe minut (BPM) ale semnalului de intrare. În general, un semnal cardiac de intrare și un semnal uman ar trebui să poată fi amplificate și filtrate cu succes, simulând un ECG folosind abilitățile circuitului pentru a proiecta, modifica și testa un amplificator de instrumentație, un filtru cu crestături și un circuit de filtrare trece jos.

Pasul 1: Simulați circuitul pe computer

Puteți utiliza orice software pe care îl aveți la dispoziție pentru a simula circuitul pe care îl vom crea. Am folosit PSpice, așa că pentru asta voi explica detaliile, dar valorile componentelor (rezistențe, condensatori etc.) și principalele preluări sunt la fel, așa că nu ezitați să utilizați altceva (cum ar fi circuitlab.com).

Calculați valorile componentelor:

1. Mai întâi este determinarea valorilor pentru amplificatorul de instrumentație (a se vedea imaginea). Valorile din imagine au fost determinate având un câștig dorit de 1000. Ceea ce înseamnă că, indiferent de tensiunea de intrare pe care o furnizați această parte a circuitului, aceasta o va „amplifica” prin valoarea câștigului. De exemplu, dacă furnizați 1V așa cum am făcut, ieșirea ar trebui să fie de 1000V. Există două părți ale acestui amplificator de instrumentare, astfel încât câștigul este împărțit între ele notat ca K1 și K2. Vedeți imaginea inclusă, dorim ca câștigurile să fie apropiate (de aceea ecuația 2 din imagine), ecuațiile 2 și 3 din imagine se găsesc cu analiză nodală, iar apoi valorile rezistenței pot fi calculate (a se vedea imaginea).
2. Valorile rezistenței pentru filtrul de notch au fost determinate prin stabilirea factorului de calitate, Q, la 8 și, din cauza faptului că știam că avem destule condensatoare de 0,022uF, am mers mai departe în calcule folosind aceste două condiții. Vedeți imaginea cu ecuațiile 5-10 pentru a calcula valorile. Sau folosiți R1 = 753.575Ω, R2 = 192195Ω, R3 = 750.643Ω, ceea ce am făcut!
3. Filtrul de trecere joasă este pentru a elimina zgomotul peste o anumită frecvență, pe care l-am găsit online că pentru ECG este bine să se utilizeze o frecvență de tăiere de 250 Hz. Din această frecvență și ecuațiile 11-15 (verificați imaginea) calculați valorile rezistenței pentru filtrul dvs. de trecere joasă. Tratați R3 ca un circuit deschis și R4 ca un scurtcircuit pentru a obține un câștig de K = 1. Am calculat R1 = 15, 300 ohmi, R2 = 25, 600 ohmi, C1 = 0,022 uF, C2 = 0,047 uF.

Deschideți și construiți pe PSpice:

Cu toate aceste valori, porniți PSpice - Deschideți „OrCAD Capture CIS”, dacă se deschide o fereastră pop-up pentru Cadence Project Choices selectați „Allegro PCB Design CIS L”, deschideți fișierul -> proiect nou, tastați un nume inteligent pentru acesta, selectați creați proiectul folosind A / D analog sau mixt, selectați „creați un proiect gol”, vedeți imaginea pentru organizarea fișierelor proiectului dvs., în fiecare pagină, veți compila componentele (rezistențe, condensatori etc.) pentru a construi partea din circuitul dorit. Pe fiecare pagină veți face clic pe partea din bara de instrumente din partea de sus și faceți clic pe partea pentru a deschide o listă de piese care este locul în care căutați rezistențe, condensatori, amplificatoare operaționale și surse de alimentare. De asemenea, în meniul derulant Place veți găsi pământ și sârmă pe care va trebui să le folosiți. Acum proiectați fiecare dintre paginile dvs. așa cum se vede în imaginile incluse folosind valorile pe care le-ați calculat.

Rulați AC Sweeps pentru a vă asigura că filtrarea și amplificarea se întâmplă așa cum vă așteptați

Am adăugat două cifre pentru simularea acestora. Observați crestătura la 60 Hz și filtrarea frecvențelor înalte. Rețineți culorile liniei și expresiile de urmărire etichetate, am rulat tot circuitul împreună, așa că ar trebui să vă faceți o idee despre ce ar trebui să vă așteptați!

Pentru măturări selectați PSpice, faceți clic pe PSpice, Profil de simulare nou, treceți la AC Sweep și setați frecvențele dorite pentru pornire, oprire și valoarea incrementală. În meniul PSpice am selectat, de asemenea, markeri, avansați și am ales tensiunea dB și am pus markerul pe care doream să măsoară ieșirea, acest lucru ajută mai târziu, astfel încât să nu trebuie să adăugați manual o modificare de urmărire. Apoi mergeți din nou la pachetul de meniu PSpice și selectați Run sau pur și simplu apăsați F11. Când simulatorul se deschide, dacă este necesar: faceți clic pe urmărire, adăugați urmărire și apoi selectați expresia de urmărire adecvată, cum ar fi V (U6: OUT), dacă doriți să măsurați tensiunea de ieșire la pinul OUT al opamp U6.

Instrumentare Amplificator: Utilizați uA741 pentru toate cele trei amplificatoare și luați notă că amplificatoarele din imagini sunt referite conform etichetei respective (U4, U5, U6). Rulați curentul de curent alternativ pe PSpice pentru a calcula răspunsul de frecvență al circuitului cu o singură intrare de tensiune, astfel încât ieșirea de tensiune să fie egală cu câștigul (1000) în acest caz.

Filtru Notch: Utilizați o sursă de curent alternativ cu o tensiune așa cum se vede în imagine și amplificatorul operațional uA741 și asigurați-vă că alimentați fiecare amplificator operațional pe care îl utilizați (alimentat cu 15V DC). Rulați curățarea de curent alternativ, recomand 30 la 100 Hz cu trepte de 10 Hz pentru a asigura crestătura la 60 Hz care ar filtra semnalele electrice.

Filtru trece jos: Utilizați amplificatorul operațional uA741 (a se vedea figura, așa cum a fost marcat cu numele nostru U1) și alimentați circuitul cu o tensiune alternativă de un volt. Alimentați amplificatorii op cu un curent continuu de 15 volți și măsurați ieșirea pentru curentul alternativ la pinul 6 al U1 care se conectează cu firul văzut în imagine. Măturarea în curent alternativ este utilizată pentru a calcula răspunsul în frecvență al circuitului și cu o singură intrare de tensiune setată, tensiunea de ieșire ar trebui să fie egală cu câștigul-1.

Pasul 2: Construiți circuitul fizic pe o placă de calcul

Acest lucru poate fi o provocare, dar am deplină credință în tine! Utilizați valorile și schemele pe care le-ați creat și testat (sperăm că știu că funcționează datorită simulatorului de circuite) pentru a construi acest lucru pe o placă de calcul. Asigurați-vă că aplicați putere (1 Vp-p de la un generator de funcții) la început nu în fiecare etapă dacă testați întregul circuit, pentru a testa întregul circuit conectați fiecare parte (amplificatorul de instrumentație la filtru de notch la trecerea joasă), asigurați-vă că la furnizați V + și V- (15V) la fiecare amplificator operațional și puteți testa etape individuale măsurând ieșirea la frecvențe variate cu osciloscopul pentru a vă asigura că lucrurile precum filtrarea funcționează. Puteți utiliza forma de undă cardiacă integrată pe generatorul de funcții atunci când testați întreg circuitul împreună și veți vedea forma de undă QRS așa cum era de așteptat. Cu puțină frustrare și persistență, ar trebui să puteți construi fizic acest lucru!

Am adăugat, de asemenea, un condensator de bandă de 0,1 uF în paralel cu puterile amplificatorului op nu sunt prezentate în PSpice.

Iată câteva sfaturi atunci când construiți componentele individuale:

Pentru amplificatorul de instrumentație, dacă întâmpinați dificultăți în localizarea sursei erorii, verificați fiecare ieșire individuală a celor trei amplificatori op. În plus, asigurați-vă că furnizați corect sursa de alimentare și intrarea. Sursa de alimentare ar trebui să fie conectată la pinii 4 și 7, iar tensiunea de intrare și ieșire la pinii 3 ai amplificatoarelor operaționale din prima etapă.

Pentru filtrul cu crestături, trebuiau făcute unele ajustări la valorile rezistenței pentru a face filtrul să se filtreze la o frecvență de 60 Hz. Dacă filtrarea are loc mai mult de 60 Hz, creșterea unuia dintre rezistențe (am ajustat 2) va ajuta la reducerea frecvenței filtrului (opusă creșterii).

Pentru filtrul low-pass, asigurarea valorilor simple ale rezistorului (rezistențele pe care le aveți deja) va reduce semnificativ eroarea!

Pasul 3: LabVIEW pentru a trasa forma de undă ECG și a calcula ritmul cardiac (bătăi pe minut)

Pe LabVIEW veți crea o diagramă bloc și o interfață cu utilizatorul care este partea care va afișa forma de undă ECG pe un grafic în funcție de timp și va afișa un număr de ritm cardiac digital. Am atașat o imagine cu ce să construiți pe labVIEW, puteți utiliza bara de căutare pentru a găsi componentele necesare. Aveți răbdare cu acest lucru și puteți utiliza, de asemenea, ajutorul pentru a citi despre fiecare piesă.

Asigurați-vă că utilizați DAQ fizic pentru a vă conecta circuitul la computer. Pe asistentul DAQ schimbați eșantionarea în continuu și 4k.

Iată câteva sfaturi despre construirea diagramei:

• Conexiunea DAQ Assistant iese din „date” și „oprire”.
• Asistentul DAQ pentru „intrarea formei de undă” pe min. Max.
• Faceți clic dreapta, creați și alegeți constantă pentru numărul văzut în imagine.
• Faceți clic dreapta, selectați elementul, dt, acesta este pentru a schimba t0 în dt
• Detectarea vârfurilor are conexiuni la „semnal în”, „prag” și „lățime”
• Conectați-vă la „matrice” și constantele la „index”
• Asigurați-vă că pinul fizic al plăcii DAQ (adică analogul 8) este pinul pe care îl selectați în Asistentul DAQ (a se vedea imaginea)

Videoclipul inclus „IMG_9875.mov” este al unui computer care prezintă interfața de utilizator VI a LabVIEW afișând forma de undă ECG modificată și ritmurile pe minut în funcție de intrare (ascultați, deoarece se anunță la ce frecvență este schimbată).

Testați-vă designul trimițând o intrare de frecvență de 1Hz și are o formă de undă curată (a se vedea imaginea pentru a compara cu), dar ar trebui să puteți citi 60 de bătăi pe minut!

Ceea ce ați făcut poate fi folosit și pentru a citi un semnal ECG uman doar pentru distracție, deoarece acesta NU este un dispozitiv medical. Totuși, trebuie să fiți atenți la curentul furnizat proiectului. Electrozi de suprafață atașați: pozitivi la glezna stângă, negativi la încheietura mâinii drepte și atașați sol la glezna dreaptă. Rulați labVIEW și ar trebui să vedeți forma de undă să apară pe grafic, iar bătăile pe minut să apară și în caseta de afișare digitală.