Obwód EKG (PSpice, LabVIEW, Breadboard): 3 kroki

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:32

Uwaga: to NIE jest urządzenie medyczne. Służy to wyłącznie celom edukacyjnym przy użyciu symulowanych sygnałów. Jeśli używasz tego obwodu do rzeczywistych pomiarów EKG, upewnij się, że obwód i połączenia między obwodem a przyrządem wykorzystują odpowiednie techniki izolacji

Ten instruktaż jest przewodnikiem po symulowaniu, budowaniu i testowaniu obwodu, który przyjmuje, filtruje i wzmacnia sygnały EKG. Będziesz potrzebować podstawowej wiedzy o obwodach i kilku instrumentach, aby wdrożyć całość tego instruktażu.

Elektrokardiografia (EKG lub EKG) to bezbolesne, nieinwazyjne badanie, które rejestruje aktywność elektryczną serca i służy do uzyskania wglądu w stan serca pacjenta. Aby skutecznie symulować odczyt EKG, wejściowe sygnały sercowe muszą zostać wzmocnione (wzmacniacz instrumentalny) i przefiltrowane (filtry wycinające i dolnoprzepustowe). Elementy te zostały stworzone fizycznie i na symulatorze obwodów. Aby upewnić się, że każdy komponent prawidłowo wzmacnia lub filtruje sygnał, można przeprowadzić przemiatanie AC za pomocą PSpice i eksperymentalnie. Po pomyślnym przetestowaniu każdego elementu z osobna, sygnał sercowy może być wprowadzony przez kompletny obwód składający się ze wzmacniacza oprzyrządowania, filtra wycinającego i filtra dolnoprzepustowego. Następnie ludzki sygnał EKG może być wprowadzony przez EKG i LabVIEW. Zarówno symulowany kształt fali, jak i sygnał ludzkiego serca mogą być analizowane przez LabVIEW w celu zliczania uderzeń na minutę (BPM) sygnału wejściowego. Ogólnie rzecz biorąc, wejściowy sygnał serca i sygnał ludzki powinny być w stanie skutecznie wzmocnić i przefiltrować, symulując EKG z wykorzystaniem umiejętności obwodów do projektowania, modyfikowania i testowania wzmacniacza oprzyrządowania, filtra wycinającego i obwodu filtra dolnoprzepustowego.

Krok 1: Symuluj obwód na komputerze

Możesz użyć dowolnego dostępnego oprogramowania do symulacji obwodu, który będziemy tworzyć. Użyłem PSpice, więc wyjaśnię szczegóły, ale wartości komponentów (rezystory, kondensatory itp.) I główne elementy są takie same, więc możesz użyć czegoś innego (takiego jak circuitlab.com).

Oblicz wartości składników:

1. Pierwszym z nich jest określenie wartości dla wzmacniacza oprzyrządowania (patrz rysunek). Wartości na rysunku zostały określone przez uzyskanie pożądanego wzmocnienia 1000. Co oznacza, że niezależnie od napięcia wejściowego, które dostarczysz do tej części obwodu, „wzmocni” to o wartość wzmocnienia. Na przykład, jeśli podasz 1V tak jak ja, wyjście powinno wynosić 1000V. Ten wzmacniacz instrumentacyjny składa się z dwóch części, więc wzmocnienie jest dzielone między nimi, oznaczonymi jako K1 i K2. Zobacz dołączony obrazek, chcemy, aby wzmocnienia były zbliżone (dlatego równanie 2 na rysunku), równania 2 i 3 na rysunku znajdują się z analizą węzłową, a następnie można obliczyć wartości rezystorów (patrz rysunek).
2. Wartości rezystorów dla filtra wycinającego zostały określone przez ustawienie współczynnika jakości Q na 8, a ponieważ wiedzieliśmy, że mamy dużo dostępnych kondensatorów 0,022 uF, przeszliśmy do przodu w obliczeniach przy użyciu tych dwóch warunków. Zobacz rysunek z równaniami 5 - 10, aby obliczyć wartości. Lub użyj R1 = 753,575 Ω, R2 = 192195 Ω, R3 = 750,643 Ω, co zrobiliśmy!
3. Filtr dolnoprzepustowy ma na celu usunięcie szumu powyżej pewnej częstotliwości, którą znaleźliśmy w Internecie, że w przypadku EKG dobrze jest użyć częstotliwości odcięcia fo, wynoszącej 250 Hz. Z tej częstotliwości i równań 11-15 (sprawdź na rysunku) oblicz wartości rezystorów dla filtra dolnoprzepustowego. Traktuj R3 jako obwód otwarty, a R4 jako zwarcie, aby uzyskać wzmocnienie K = 1. Obliczyliśmy R1 = 15, 300 omów, R2 = 25, 600 omów, C1 = 0,022 uF, C2 = 0,047 uF.

Otwórz i buduj na PSpice:

Z wszystkimi tymi wartościami, Start PSpice - Otwórz 'OrCAD Capture CIS', jeśli otworzy się wyskakujące okienko Cadence Project Choices wybierz 'Allegro PCB Design CIS L', otwórz plik -> nowy projekt, wpisz dla niego sprytną nazwę, wybierz Utwórz projekt używając analogowego lub mieszanego A/D, wybierz „utwórz pusty projekt”, zobacz zdjęcie dla organizacji plików twojego projektu, na każdej stronie znajdziesz miejsce, w którym skompilujesz komponenty (rezystory, kondensatory itp.), aby zbudować część swojego projektu obwód, który chcesz. Na każdej stronie klikniesz część na pasku narzędzi u góry i klikniesz część, aby otworzyć listę części, w której wyszukujesz rezystory, kondensatory, wzmacniacze operacyjne i źródła zasilania. Również w rozwijanym menu Place znajdziesz uziemienie i przewód, których będziesz musiał użyć. Teraz zaprojektuj każdą ze swoich stron tak, jak widać na załączonych zdjęciach, używając obliczonych wartości.

Uruchom AC Sweeps, aby upewnić się, że filtrowanie i wzmacnianie działa zgodnie z oczekiwaniami

Dodałem dwie figury do ich symulacji. Zwróć uwagę na wycięcie przy 60 Hz i odfiltrowanie wysokich częstotliwości. Zwróć uwagę na kolory linii i oznaczone wyrażenia śladowe, uruchomiłem również cały obwód, więc powinieneś zorientować się, czego powinieneś się spodziewać!

Dla przemiatania wybierz PSpice, kliknij PSpice, New Simulation Profile, zmień na AC Sweep i ustaw żądane częstotliwości dla początku, końca i wartość przyrostu. W menu PSpice również wybrałem znaczniki, zaawansowane i wybrałem dB napięcia i umieściłem znacznik tam, gdzie chciałem zmierzyć wyjście, co później pomoże, więc nie musisz ręcznie dodawać zmiany śladu. Następnie przejdź ponownie do przycisku menu PSpice i wybierz Uruchom lub po prostu naciśnij F11. Gdy symulator się otworzy, w razie potrzeby: kliknij ślad, dodaj ślad, a następnie wybierz odpowiednie wyrażenie śladu, takie jak V (U6: OUT), jeśli chcesz zmierzyć napięcie wyjściowe na pin OUT wzmacniacza operacyjnego U6.

Wzmacniacz oprzyrządowania: Użyj uA741 dla wszystkich trzech wzmacniaczy i zwróć uwagę, że wzmacniacze na zdjęciach są oznaczone zgodnie z ich etykietami (U4, U5, U6). Uruchom swoje przemiatanie AC na PSpice, aby obliczyć odpowiedź częstotliwościową obwodu z jednym wejściem napięciowym, tak aby w tym przypadku napięcie wyjściowe było równe wzmocnieniu (1000).

Filtr wycinający: Użyj jednonapięciowego źródła prądu przemiennego, jak pokazano na rysunku, oraz wzmacniacza operacyjnego uA741 i upewnij się, że zasilasz każdy używany wzmacniacz operacyjny (zasilany 15 V DC). Uruchom przemiatanie AC, zalecam 30 do 100 Hz co 10 Hz, aby zapewnić wycięcie przy 60 Hz, które odfiltruje sygnały elektryczne.

Filtr dolnoprzepustowy: Użyj wzmacniacza operacyjnego uA741 (patrz rysunek, ponieważ nasz był oznaczony jako U1) i zasil obwód prądem przemiennym o napięciu 1 V. Zasil wzmacniacz operacyjny napięciem stałym 15 woltów i zmierz moc wyjściową przemiatania prądu przemiennego na styku 6 U1, który łączy się z przewodem widocznym na rysunku. Przemiatanie AC służy do obliczania odpowiedzi częstotliwościowej obwodu, a przy jednym ustawionym wejściu napięciowym napięcie wyjściowe powinno być równe wzmocnieniu 1.

Krok 2: Zbuduj fizyczny obwód na płycie do krojenia chleba

To może być trudne, ale całkowicie w ciebie wierzę! Użyj wartości i schematów, które utworzyłeś i przetestowałeś (mam nadzieję, że wiesz, że działają dzięki symulatorowi obwodów), aby zbudować to na płytce prototypowej. Upewnij się, że zasilasz tylko (1 Vp-p przez generator funkcyjny) na początku, a nie na każdym etapie, jeśli testujesz cały obwód, w celu przetestowania całego obwodu podłącz każdą część (wzmacniacz instrumentalny do filtra wycinającego do dolnoprzepustowego), upewnij się, że dostarczać V+ i V- (15V) do każdego wzmacniacza operacyjnego i można testować poszczególne stopnie, mierząc moc wyjściową przy różnych częstotliwościach za pomocą oscyloskopu, aby upewnić się, że takie rzeczy jak filtrowanie działają. Podczas wspólnego testowania całego obwodu można użyć wbudowanej fali sercowej w generatorze funkcji, a następnie zgodnie z oczekiwaniami zobaczysz krzywą QRS. Przy odrobinie frustracji i wytrwałości powinieneś być w stanie fizycznie to zbudować!

Dodaliśmy również kondensator pasmowy 0,1 uF równolegle do mocy wzmacniaczy operacyjnych, których nie pokazano w PSpice.

Oto kilka wskazówek dotyczących budowania poszczególnych komponentów:

W przypadku wzmacniacza oprzyrządowania, jeśli masz trudności ze zlokalizowaniem źródła błędu, sprawdź poszczególne wyjścia trzech wzmacniaczy operacyjnych. Dodatkowo upewnij się, że prawidłowo zasilasz źródło zasilania i wejście. Źródło zasilania powinno być podłączone do pinów 4 i 7, a wejście i wyjście napięciowe do pinów 3 wzmacniaczy operacyjnych pierwszego stopnia.

W przypadku filtra wycinającego należało dokonać pewnych korekt wartości rezystorów, aby filtr był filtrowany z częstotliwością 60 Hz. Jeśli filtrowanie występuje powyżej 60 Hz, zwiększenie jednego z rezystorów (dostosowaliśmy 2) pomoże obniżyć częstotliwość filtra (przeciwnie do zwiększenia).

W przypadku filtra dolnoprzepustowego zapewnienie prostych wartości rezystorów (rezystory, które już masz) znacznie zmniejszy błąd!

Krok 3: LabVIEW, aby wykreślić krzywą EKG i obliczyć tętno (uderzenia na minutę)

W LabVIEW utworzysz schemat blokowy i interfejs użytkownika, który jest częścią, która wyświetli krzywą EKG na wykresie w funkcji czasu i wyświetli cyfrową liczbę tętna. Załączyłem zdjęcie tego, co zbudować w labVIEW, możesz użyć paska wyszukiwania, aby znaleźć potrzebne komponenty. Bądź cierpliwy i możesz również skorzystać z pomocy, aby przeczytać o każdym kawałku.

Upewnij się, że używasz fizycznego DAQ do podłączenia obwodu do komputera. W asystencie DAQ zmień próbkowanie na ciągłe i 4k.

Oto kilka porad dotyczących budowania diagramu:

• Połączenie DAQ Assistant wychodzi z „danych” i „zatrzymania”.
• Asystent DAQ do „wejścia fali” na min max.
• Kliknij prawym przyciskiem myszy, utwórz i wybierz stałą dla liczby widocznej na obrazku.
• Kliknij prawym przyciskiem myszy, wybierz element, dt, to zmieni t0 na dt
• Wykrywanie szczytów ma połączenia przy "sygnale", "progu" i "szerokości"
• Połącz z „tablicą”, a stałe z „indeksem”
• Upewnij się, że fizyczny pin karty DAQ (tj. analogowy 8) jest pinem wybranym w Asystencie DAQ (patrz zdjęcie)

Załączone wideo 'IMG_9875.mov' przedstawia komputer pokazujący interfejs użytkownika VI LabVIEW, wyświetlający zmieniającą się krzywą EKG i uderzenia na minutę w oparciu o dane wejściowe (posłuchaj, jak zostanie ogłoszona zmiana częstotliwości).

Przetestuj swój projekt, wysyłając wejście o częstotliwości 1 Hz i ma czysty przebieg (patrz zdjęcie do porównania), ale powinieneś być w stanie odczytać 60 uderzeń na minutę!

To, co zrobiłeś, może być również użyte do odczytania ludzkiego sygnału EKG tylko dla zabawy, ponieważ NIE jest to urządzenie medyczne. Trzeba jednak uważać na prąd dostarczany do projektu. Przymocowane elektrody powierzchniowe: dodatnie do lewej kostki, ujemne do prawego nadgarstka i uziemiające do prawej kostki. Uruchom labVIEW, a na wykresie powinien pojawić się wykres, a na cyfrowym wyświetlaczu pojawi się również liczba uderzeń na minutę.