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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

Poznámka: Toto NENÍ lékařské zařízení. Toto je pouze pro vzdělávací účely pomocí simulovaných signálů. Pokud používáte tento obvod pro skutečná měření EKG, zajistěte, aby obvod a připojení mezi obvodem a přístrojem používaly správné izolační techniky

Tento instruktáž je vedený způsob, jak simulovat, budovat a testovat obvod, který snímá, filtruje a zesiluje signály EKG. K implementaci celé této instrukce budete potřebovat základní znalosti obvodů a několik nástrojů.

Elektrokardiografie (EKG nebo EKG) je bezbolestný, neinvazivní test, který zaznamenává elektrickou aktivitu srdce a používá se k získání přehledu o stavu srdce pacienta. K úspěšné simulaci čtení EKG je třeba zesílit vstupní srdeční signály (přístrojový zesilovač) a filtrovat (zářezové a dolní propusti). Tyto komponenty byly vytvořeny fyzicky a na simulátoru obvodu. Aby se zajistilo, že každá komponenta správně zesiluje nebo filtruje signál, lze provést AC rozmítání pomocí PSpice a experimentálně. Po úspěšném testování každé součásti jednotlivě může být srdeční signál vložen do dokončeného obvodu sestávajícího z přístrojového zesilovače, zářezového filtru a dolního propusti. Poté může být prostřednictvím EKG a LabVIEW vložen signál lidského EKG. Simulovaný tvar vlny i lidský srdeční signál lze procházet pomocí LabVIEW, aby bylo možné počítat údery vstupního signálu za minutu (BPM). Celkově by měl být vstupní srdeční signál a lidský signál možné úspěšně zesílit a filtrovat, simulovat EKG pomocí obvodových dovedností k návrhu, úpravě a testování zesilovače instrumentace, zářezového filtru a nízkoprůchodového filtračního obvodu.

Krok 1: Simulace obvodu na počítači

K simulaci obvodu, který budeme vytvářet, můžete použít jakýkoli software, který máte k dispozici. Použil jsem PSpice, proto budu vysvětlovat podrobnosti, ale hodnoty komponent (odpory, kondenzátory atd.) A hlavní výstupy jsou stejné, takže můžete použít něco jiného (například obvodlab.com).

Vypočítejte hodnoty komponent:

1. Nejprve je třeba určit hodnoty pro přístrojový zesilovač (viz obrázek). Hodnoty na obrázku byly určeny požadovaným ziskem 1000. Což znamená, že jakékoli vstupní napětí, které dodáte této části obvodu, to „zesílí“hodnotou zisku. Pokud například poskytnete 1 V jako já, výstup by měl být 1000 V. Tento zesilovač instrumentace má dvě části, takže zisk je rozdělen mezi ně označované jako K1 a K2. Podívejte se na přiložený obrázek, chceme, aby zisky byly blízké (proto rovnice 2 na obrázku), rovnice 2 a 3 na obrázku jsou nalezeny s uzlovou analýzou a poté lze vypočítat hodnoty odporu (viz obrázek).
2. Hodnoty odporu pro zářezový filtr byly určeny nastavením faktoru kvality Q na 8 a vzhledem k tomu, že jsme věděli, že máme k dispozici dostatek kondenzátorů 0,022 uF, pak jsme se při výpočtech pomocí těchto dvou podmínek posunuli kupředu. Pro výpočet hodnot viz obrázek s rovnicemi 5 - 10. Nebo použijte R1 = 753,575Ω, R2 = 192195Ω, R3 = 750,643Ω, což jsme udělali!
3. Nízkopásmový filtr má odstranit šum nad určitou frekvencí, o které jsme online zjistili, že pro EKG je dobré použít mezní frekvenci pro 250 Hz. Z této frekvence a rovnic 11-15 (zkontrolujte obrázek) vypočítejte hodnoty odporů pro váš dolní propust. R3 považujte za otevřený obvod a R4 jako zkrat, abyste získali zisk K = 1. Vypočítali jsme R1 = 15, 300 ohmů, R2 = 25, 600 ohmů, C1 = 0,022 uF, C2 = 0,047 uF.

Otevřít a stavět na PSpice:

Se všemi těmito hodnotami spusťte PSpice - otevřete „OrCAD Capture CIS“, pokud se otevře vyskakovací okno pro Cadence Project Choices, vyberte „Allegro PCB Design CIS L“, otevřete soubor -> nový projekt, zadejte pro něj chytrý název, vyberte vytvořit projekt pomocí analogového nebo smíšeného A/D vyberte „vytvořit prázdný projekt“, viz obrázek pro organizaci souborů vašeho projektu, na každé stránce budete kompilovat komponenty (odpory, kondenzátory atd.), abyste vytvořili část svého okruh, který chcete. Na každé stránce kliknete na část na panelu nástrojů v horní části a kliknutím na část otevřete seznam dílů, kde hledáte rezistory, kondenzátory, operační zesilovače a zdroje energie. Také v rozevíracím seznamu Místo najdete uzemnění a vodič, které budete muset použít. Nyní navrhněte každou ze svých stránek, jak je vidět na přiložených obrázcích, pomocí hodnot, které jste vypočítali.

Spusťte AC Sweeps, abyste zajistili, že filtrování a zesilování skutečně probíhá podle očekávání

Pro jejich simulaci jsem přidal dvě čísla. Všimněte si zářezu při 60 Hz a odfiltrování vysokých frekvencí. Všimněte si barev čar a označených stopových výrazů, také jsem spustil celý obvod dohromady, takže byste měli získat představu o tom, co byste měli očekávat!

Pro tažení vyberte PSpice, klikněte na PSpice, Nový simulační profil, změňte na AC Sweep a nastavte požadované frekvence pro spuštění, zastavení a hodnotu přírůstku. V nabídce PSpice jsem také vybral značky, pokročilé a vybral napětí dB a umístil značku na místo, kde jsem chtěl měřit výstup, což pomůže později, takže nemusíte ručně přidávat změnu stopy. Poté přejděte znovu na tlačítko nabídky PSpice a vyberte Spustit nebo stiskněte klávesu F11. Když se simulátor otevře, v případě potřeby: klikněte na trasování, přidejte trasování a poté vyberte příslušný výraz trasování, například V (U6: OUT), pokud chcete měřit výstup napětí na pinu OUT na operačním zesilovači U6.

Zesilovač přístrojového vybavení: Použijte uA741 pro všechny tři zesilovače a vezměte na vědomí, že zesilovače na obrázcích jsou označeny podle jejich příslušného štítku (U4, U5, U6). Spuštěním AC cyklu na PSpice spočítejte frekvenční odezvu obvodu s jedním napěťovým vstupem, aby se napěťový výstup v tomto případě rovnal zisku (1000).

Zářezový filtr: Použijte jednosměrný střídavý napájecí zdroj, jak je vidět na obrázku, a operační zesilovač uA741 a ujistěte se, že napájíte každý operační zesilovač, který používáte (napájený 15 V DC). Spusťte AC sweep, doporučuji přírůstky 30 až 100 Hz po 10 Hz, abyste zajistili zářez na 60 Hz, který by odfiltroval elektrické signály.

Nízkoprůchodový filtr: Použijte operační zesilovač uA741 (viz obrázek, jak byl náš označen U1) a napájejte obvod jednosměrným střídavým proudem. Napájejte operační zesilovače DC 15 volty a změřte výstup pro AC sweep na pinu 6 U1, který se spojí s vodičem viděným na obrázku. AC sweep se používá k výpočtu frekvenční odezvy obvodu a s jedním napěťovým vstupem, který nastavíte, by měl být napěťový výstup roven zisku- 1.

Krok 2: Postavte fyzický obvod na prkénku

To může být náročné, ale já vám plně věřím! Použijte hodnoty a schémata, která jste vytvořili a otestovali (doufejme, že díky simulátoru obvodů víte, že fungují), abyste to vytvořili na prkénku. Pokud testujete celý obvod, ujistěte se, že na začátek nepřipojujete pouze napájení (1 Vp-p generátorem funkcí), ale při testování celého obvodu připojte každou část (přístrojový zesilovač k zářezovému filtru na dolní propust), ujistěte se, že dodávejte V+ a V- (15 V) do každého operačního zesilovače a jednotlivé stupně můžete testovat měřením výstupu na různých frekvencích pomocí osciloskopu, abyste se ujistili, že věci jako filtrování fungují. Vestavěný srdeční průběh můžete použít na generátoru funkcí, když společně otestujete celý obvod a poté uvidíte průběh QRS podle očekávání. S trochou frustrace a vytrvalosti byste to měli fyzicky zvládnout!

Rovněž jsme přidali pásmový kondenzátor 0,1 uF paralelně k výkonům operačního zesilovače, které nejsou zobrazeny v PSpice.

Zde je několik tipů při stavbě jednotlivých komponent:

Pokud máte u zesilovače přístrojů potíže s vyhledáním zdroje chyby, zkontrolujte každý jednotlivý výstup tří operačních zesilovačů. Kromě toho se ujistěte, že dodáváte napájecí zdroj a vstup správně. Zdroj napájení by měl být připojen na piny 4 a 7 a vstup a výstup napětí na piny 3 prvního stupně operačních zesilovačů.

U zářezového filtru bylo nutné provést určité úpravy hodnot odporu, aby byl filtr odfiltrován na frekvenci 60 Hz. Pokud k filtrování dochází vyšší než 60 Hz, zvýšení jednoho z odporů (upravili jsme 2) pomůže snížit frekvenci filtru (naopak zvýšit).

U filtru s nízkým průchodem se zajištěním jednoduchých hodnot odporů (již máte odpory) výrazně sníží chyby!

Krok 3: LabVIEW k vykreslení křivky EKG a výpočtu srdeční frekvence (tepů za minutu)

Na LabVIEW vytvoříte blokové schéma a uživatelské rozhraní, což je část, která bude zobrazovat křivku EKG na grafu jako funkci času a zobrazí digitální číslo srdeční frekvence. Přikládám obrázek toho, na čem stavět na labVIEW můžete použít vyhledávací lištu k nalezení potřebných komponent. Mějte s tím trpělivost a pomocí nápovědy si také můžete přečíst o každém díle.

K připojení obvodu k počítači nezapomeňte použít fyzický DAQ. V asistentovi DAQ změňte vzorkování na kontinuální a 4k.

Zde je několik rad ohledně sestavení diagramu:

• Připojení DAQ Assistant vychází z „dat“a „zastavení“.
• Asistent DAQ na „průběh vlny“na min. Max.
• Klikněte pravým tlačítkem, vytvořte a vyberte konstantu pro číslo zobrazené na obrázku.
• Klikněte pravým tlačítkem, vyberte položku, dt, toto má změnit t0 na dt
• Detekce špiček má připojení na „signál v“, „práh“a „šířka“
• Připojte se k „poli“a konstanty k „indexu“
• Ujistěte se, že fyzický pin desky DAQ (tj. Analogový 8) je pin, který vyberete v DAQ Assistant (viz obrázek)

Přiložené video „IMG_9875.mov“je z počítače zobrazujícího uživatelské rozhraní VI LabVIEW zobrazující měnící se křivku EKG a údery za minutu na základě vstupu (poslouchejte, jak je oznámeno, na jakou frekvenci se změní).

Otestujte svůj design odesláním frekvenčního vstupu 1 Hz a jeho čistý průběh (viz obrázek pro srovnání), ale měli byste být schopni přečíst 60 úderů za minutu!

To, co jste vyrobili, lze také použít ke čtení signálu EKG pro lidi, protože to NENÍ zdravotnický prostředek. Přesto musíte být opatrní s proudem dodávaným do návrhu. Připojené povrchové elektrody: kladné k levému kotníku, záporné k pravému zápěstí a připevněné k pravému kotníku. Spusťte labVIEW a v grafu byste měli vidět průběh a v digitálním zobrazovacím poli také vyskočit údery za minutu.