Obvod EKG (PSpice, LabVIEW, Breadboard): 3 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

Poznámka: Toto NIE JE zdravotnícke zariadenie. Toto je len na vzdelávacie účely pomocou simulovaných signálov. Ak používate tento obvod na skutočné merania EKG, uistite sa, že obvod a pripojenia obvodu k prístroju používajú správnu izolačnú techniku

Tento návod je vedený spôsob simulácie, vytvárania a testovania obvodu, ktorý zachytáva, filtruje a zosilňuje signály EKG. Na implementáciu celého tohto pokynu budete potrebovať základné znalosti obvodov a niekoľko nástrojov.

Elektrokardiografia (EKG alebo EKG) je bezbolestný, neinvazívny test, ktorý zaznamenáva elektrickú aktivitu srdca a používa sa na získanie prehľadu o stave srdca pacienta. Na úspešnú simuláciu čítania EKG je potrebné zosilniť vstupné srdcové signály (prístrojový zosilňovač) a filtrovať (zárezové a dolnopriepustné filtre). Tieto komponenty boli vytvorené fyzicky a na simulátore obvodu. Aby sa zaistilo, že každá zložka správne zosilňuje alebo filtruje signál, je možné vykonať AC sweep pomocou PSpice a experimentálne. Po úspešnom testovaní každého komponentu jednotlivo môže byť srdcový signál vložený do dokončeného obvodu pozostávajúceho z prístrojového zosilňovača, zárezového filtra a dolnopriepustného filtra. Potom môže byť do EKG a LabVIEW vložený signál ľudského EKG. Simulovaný priebeh vlny a ľudský srdcový signál je možné prechádzať cez LabVIEW, aby sa spočítali údery vstupného signálu za minútu (BPM). Celkovo by mal byť vstupný srdcový signál a ľudský signál úspešne zosilnený a filtrovaný, simulujúc EKG pomocou obvodových schopností na návrh, úpravu a testovanie prístrojového zosilňovača, zárezového filtra a dolnopriepustného filtračného obvodu.

Krok 1: Simulujte obvod v počítači

Na simuláciu obvodu, ktorý vytvoríme, môžete použiť akýkoľvek softvér, ktorý máte k dispozícii. Použil som PSpice, preto vám vysvetlím podrobnosti, ale hodnoty súčiastok (odpory, kondenzátory atď.) A hlavné výstupy sú rovnaké, takže môžete použiť niečo iné (napríklad circuitlab.com).

Vypočítajte hodnoty komponentov:

1. Prvým je určenie hodnôt zosilňovača prístrojov (pozri obrázok). Hodnoty na obrázku boli určené tak, že majú požadovaný zisk 1000. To znamená, že akékoľvek vstupné napätie, ktoré dodáte tejto časti obvodu, to „zosilní“hodnotou zisku. Ak napríklad poskytnete 1 V ako ja, výstup by mal byť 1 000 V. Tento prístrojový zosilňovač má dve časti, takže zisk je medzi ne rozdelený ako K1 a K2. Pozrite sa na priložený obrázok, chceme, aby boli zisky blízke (preto rovnica 2 na obrázku), rovnice 2 a 3 na obrázku sa nájdu pomocou uzlovej analýzy a potom je možné vypočítať hodnoty odporu (pozri obrázok).
2. Hodnoty rezistora pre zárezový filter boli určené nastavením faktora kvality Q na 8 a vzhľadom na skutočnosť, že sme vedeli, že máme k dispozícii veľa kondenzátorov 0,022uF, sme sa potom vo výpočtoch posunuli dopredu pomocou týchto dvoch podmienok. Hodnoty vypočítajte podľa obrázku s rovnicami 5 - 10. Alebo použite R1 = 753,575Ω, R2 = 192195Ω, R3 = 750,643Ω, čo sme urobili!
3. Dolnopriepustný filter má odstrániť šum nad určitou frekvenciou, o ktorej sme online zistili, že na EKG je dobré použiť medznú frekvenciu 250 Hz. Z tejto frekvencie a rovníc 11-15 (pozrite si obrázok) vypočítajte hodnoty odporu pre váš dolnopriepustný filter. R3 považujte za otvorený obvod a R4 ako skrat, aby ste získali zisk K = 1. Vypočítali sme R1 = 15, 300 ohmov, R2 = 25, 600 ohmov, C1 = 0,022 uF, C2 = 0,047 uF.

Otvorte a postavte na PSpice:

So všetkými týmito hodnotami spustite PSpice - otvorte „OrCAD Capture CIS“, ak sa otvorí vyskakovacie okno pre Cadence Project Choices, vyberte „Allegro PCB Design CIS L“, otvorte súbor -> nový projekt, zadajte preň šikovný názov a zvoľte vytvoriť projekt pomocou analógového alebo zmiešaného A/D zvoľte „vytvoriť prázdny projekt“, organizáciu súborov vášho projektu nájdete na obrázku. Na každej stránke budete zostavovať komponenty (odpory, kondenzátory atď.), aby sa vytvorila časť vášho okruh, ktorý chcete. Na každej stránke kliknete na časť v paneli s nástrojmi v hornej časti a kliknutím na časť otvoríte zoznam častí, v ktorých hľadáte odpory, kondenzátory, operačné zosilňovače a zdroje energie. V rozbaľovacom zozname Miesto nájdete aj zem a vodič, ktoré budete musieť použiť. Teraz navrhnite každú zo svojich stránok, ako je vidieť na priložených obrázkoch, pomocou hodnôt, ktoré ste vypočítali.

Spustite AC Sweeps, aby ste sa uistili, že filtrovanie a zosilnenie prebieha skutočne tak, ako očakávate

Na simuláciu som pridal dve čísla. Všimnite si vrúbkovania pri 60 Hz a odfiltrovania vysokých frekvencií. Všimnite si farieb čiar a označených stopových výrazov, taktiež som bežal celý okruh spoločne, aby ste mali predstavu o tom, čo by ste mali očakávať!

Pre ťahy vyberte PSpice, kliknite na PSpice, Nový simulačný profil, zmeňte na AC Sweep a nastavte požadované frekvencie pre štart, zastavenie a hodnotu prírastku. V ponuke PSpice som tiež vybral značky, pokročilé a vybral napätie dB a umiestnil značku na miesto, kde som chcel merať výstup, čo pomôže neskôr, takže nebudete musieť ručne pridávať stopovú zmenu. Potom znova prejdite na tlačidlo ponuky PSpice a vyberte položku Spustiť alebo stlačte kláves F11. Keď sa simulátor otvorí, v prípade potreby: kliknite na stopu, pridajte stopu a potom vyberte príslušný výraz stopy, ako napríklad V (U6: OUT), ak chcete zmerať výstup napätia na vývode OUT operačného zosilňovača U6.

Prístrojový zosilňovač: Použite uA741 pre všetky tri zosilňovače a vezmite na vedomie, že zosilňovače na obrázkoch sú označené podľa príslušného označenia (U4, U5, U6). Spustením cyklu AC na PSpice vypočítajte frekvenčnú odozvu obvodu s jedným napäťovým vstupom, aby sa výstup napätia v tomto prípade rovnal zisku (1000).

Notch Filter: Použite jednosmerný zdroj striedavého prúdu, ako je znázornené na obrázku, a operačný zosilňovač uA741 a uistite sa, že napájate každý operačný zosilňovač, ktorý používate (napájaný 15 V DC). Spustite rozmrazovanie striedavým prúdom, odporúčam po 30 až 100 Hz po 10 Hz, aby ste zaistili zárez pri 60 Hz, ktorý by filtroval elektrické signály.

Dolnopriepustný filter: Použite operačný zosilňovač uA741 (pozri obrázok, ako bol náš označený U1) a napájajte obvod jednosmerným striedavým prúdom. Napájajte operačné zosilňovače 15 V jednosmerným prúdom a zmerajte výstup pre striedavý prúd na pine 6 U1, ktorý sa spája s vodičom viditeľným na obrázku. AC sweep sa používa na výpočet frekvenčnej odozvy obvodu a s jedným napäťovým vstupom, ktorý nastavíte, by sa napäťový výstup mal rovnať zisku-1.

Krok 2: Postavte fyzický obvod na doske

To môže byť náročné, ale ja vám plne verím! Použite hodnoty a schémy, ktoré ste vytvorili a testovali (dúfate, že vďaka simulátoru obvodov viete, že fungujú), aby ste to postavili na breadboarde. Pri testovaní celého obvodu uistite sa, že na začiatku, nie v každej fáze, aplikujete iba napájanie (1 Vp-p generátorom funkcií), pri testovaní celého obvodu zapojte každú časť (zosilňovač prístrojov do zárezového filtra do dolného priechodu), uistite sa, že napájajte V+ a V- (15 V) do každého operačného zosilňovača a jednotlivé stupne môžete testovať meraním výstupu na rôznych frekvenciách pomocou osciloskopu, aby ste sa uistili, že veci ako filtrovanie fungujú. Vstavaný srdcový priebeh môžete použiť na generátore funkcií, keď testujete celý obvod spoločne a potom uvidíte priebeh QRS podľa očakávania. S trochou frustrácie a vytrvalosti by ste to mali byť schopní fyzicky vybudovať!

Tiež sme pridali pásmový kondenzátor 0,1 uF paralelne k výkonom operačného zosilňovača, ktoré nie je zobrazené v PSpice.

Tu je niekoľko tipov pri stavbe jednotlivých komponentov:

Ak máte pri zosilňovači prístrojov problémy s lokalizáciou zdroja chyby, skontrolujte každý jednotlivý výstup troch operačných zosilňovačov. Okrem toho sa uistite, že napájací zdroj a vstup napájate správne. Zdroj napájania by mal byť pripojený k pinom 4 a 7 a vstup a výstup napätia k pinom 3 operačného zosilňovača prvého stupňa.

V prípade zárezového filtra bolo potrebné vykonať určité úpravy hodnôt rezistora, aby sa filter odfiltroval pri frekvencii 60 Hz. Ak sa filtrovanie vyskytuje nad 60 Hz, zvýšenie jedného z odporov (upravili sme 2) pomôže znížiť frekvenciu filtra (naopak, aby sa zvýšil).

Pokiaľ ide o dolnopriepustný filter, zaistenie jednoduchých hodnôt rezistorov (rezistory, ktoré už máte) výrazne zníži chybu!

Krok 3: LabVIEW na vykreslenie priebehu EKG a výpočet srdcovej frekvencie (údery za minútu)

Na LabVIEW vytvoríte blokový diagram a užívateľské rozhranie, ktoré je súčasťou, ktorá bude zobrazovať priebeh EKG na grafe ako funkciu času a zobrazí digitálne číslo srdcovej frekvencie. Pripojil som obrázok toho, na čom stavať LabVIEW môžete použiť vyhľadávací panel na nájdenie potrebných komponentov. Majte s tým trpezlivosť a pomocou pomocníka si môžete prečítať aj o každom diele.

Na pripojenie obvodu k počítaču určite použite fyzický DAQ. V asistentovi DAQ zmeňte vzorkovanie na nepretržité a 4k.

Tu je niekoľko rád k zostaveniu diagramu:

• Pripojenie DAQ Assistant vychádza z „údajov“a „zastaviť“.
• Asistent DAQ na „priebeh vlny“na min.
• Kliknite pravým tlačidlom myši, vytvorte a zvoľte konštantu pre číslo zobrazené na obrázku.
• Kliknite pravým tlačidlom myši, vyberte položku, dt, toto má zmeniť t0 na dt
• Detekcia píkov má pripojenia na úrovni „signálu v“, „prahu“a „šírky“
• Pripojte k „poli“a konštanty k „indexu“
• Uistite sa, že fyzický pin dosky DAQ (t.j. analógový 8) je pin, ktorý vyberiete v programe DAQ Assistant (pozri obrázok)

Priložené video „IMG_9875.mov“je z počítača, ktorý zobrazuje používateľské rozhranie VI LabVIEW VI a zobrazuje meniaci sa priebeh EKG a údery za minútu na základe vstupu (počúvajte, ako je uvedené, na akú frekvenciu sa zmení).

Otestujte svoj návrh odoslaním frekvenčného vstupu 1 Hz a jeho čistý priebeh (pozrite si obrázok na porovnanie), ale mali by ste byť schopní prečítať 60 úderov za minútu!

To, čo ste vyrobili, je možné použiť aj na čítanie signálu EKG pre ľudí, pretože toto NIE je zdravotnícke zariadenie. Stále však musíte byť opatrní s prúdom dodávaným do dizajnu. Pripojené povrchové elektródy: pozitívne k ľavému členku, negatívne k pravému zápästiu a uzemnené k pravému členku. Spustite labVIEW a mali by ste vidieť priebeh vlny v grafe a údery za minútu sa tiež objavia v poli digitálneho displeja.