EKG krug (PSpice, LabVIEW, Breadboard): 3 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

Napomena: Ovo NIJE medicinski uređaj. Ovo je samo u obrazovne svrhe korištenjem simuliranih signala. Ako koristite ovaj krug za stvarna mjerenja EKG-a, provjerite koriste li se strujni krug i veze kola s instrumentom odgovarajuće tehnike izolacije

Ovo uputstvo je vođeni način za simulaciju, izgradnju i testiranje kola koje prima, filtrira i pojačava EKG signale. Trebat će vam osnovno znanje o krugovima i i nekoliko instrumenata za implementaciju cjeline ovog uputstva.

Elektrokardiografija (EKG ili EKG) je bezbolan, neinvazivan test koji bilježi električnu aktivnost srca i koristi se za uvid u stanje srca pacijenta. Za uspješno simuliranje očitanja EKG -a, ulazne srčane signale potrebno je pojačati (instrumentacijsko pojačalo) i filtrirati (zarezni i niskopropusni filteri). Ove komponente su stvorene fizički i na simulatoru kola. Kako bi se osiguralo da svaka komponenta ispravno pojačava ili filtrira signal, izmjenu naizmjenične struje može se izvesti pomoću PSpice i eksperimentalno. Nakon uspješnog testiranja svake komponente pojedinačno, srčani signal se može unijeti kroz kompletirano kolo koje se sastoji od instrumentacijskog pojačala, urezanog filtera i niskopropusnog filtra. Nakon toga, ljudski EKG signal može se unijeti putem EKG -a i LabVIEW -a. I simulirani valni oblik i ljudski srčani signal mogu se provesti kroz LabVIEW kako bi se brojali otkucaji u minuti (BPM) ulaznog signala. Sve u svemu, ulazni srčani signal i ljudski signal trebali bi se moći uspješno pojačati i filtrirati, simulirajući EKG koristeći vještine strujnog kruga za projektiranje, modifikaciju i testiranje instrumentalnog pojačala, urezanog filtera i kruga niskopropusnih filtera.

Korak 1: Simulirajte krug na računaru

Možete koristiti bilo koji softver koji vam je na raspolaganju za simulaciju kola koje ćemo stvarati. Koristio sam PSpice pa ću objasniti pojedinosti, ali vrijednosti komponenti (otpornici, kondenzatori itd.) I glavni koraci su isti pa slobodno upotrijebite nešto drugo (kao što je circuitlab.com).

Izračunajte vrijednosti komponenti:

1. Prvo je odrediti vrijednosti za instrumentacijsko pojačalo (vidi sliku). Vrijednosti na slici su određene željenim pojačanjem od 1000. Što znači da će, bez obzira na ulazni napon koji napajate ovaj dio kola, to 'pojačati' vrijednost pojačanja. Na primjer, ako navedete 1V kao što sam ja učinio, izlaz bi trebao biti 1000V. Ovo instrumentacijsko pojačalo ima dva dijela, pa je dobitak podijeljen među njima označenim kao K1 i K2. Pogledajte priloženu sliku, želimo da dobici budu bliski (zato se jednadžba 2 na slici), jednadžbe 2 i 3 na slici nalaze uz analizu čvorova, a zatim se mogu izračunati vrijednosti otpornika (vidi sliku).
2. Vrijednosti otpornika za urezani filter određene su postavljanjem faktora kvalitete, Q, na 8, a zbog činjenice da smo znali da imamo na raspolaganju dosta kondenzatora od 0,022uF, krenuli smo dalje u proračune koristeći ova dva uvjeta. Za izračunavanje vrijednosti pogledajte sliku s jednadžbama 5 - 10. Ili upotrijebite R1 = 753.575Ω, R2 = 192195Ω, R3 = 750.643Ω, što smo i učinili!
3. Niskopropusni filter služi za uklanjanje šuma iznad određene frekvencije za koju smo na internetu pronašli da je za EKG dobro koristiti graničnu frekvenciju fo, od 250 Hz. Iz ove frekvencije i jednadžbi 11-15 (provjerite sliku) izračunajte vrijednosti otpornika za vaš niskopropusni filter. R3 tretirajte kao otvoreni krug, a R4 kao kratki spoj kako biste dobili dobitak od K = 1. Izračunali smo R1 = 15, 300 ohma, R2 = 25, 600 ohma, C1 = 0,022 uF, C2 = 0,047 uF.

Otvorite i nadogradite na PSpice:

Sa svim ovim vrijednostima, pokrenite PSpice - otvorite 'OrCAD Capture CIS', ako se pojavi skočni prozor za Cadence Project Choices, odaberite 'Allegro PCB Design CIS L', otvorite datoteku -> novi projekt, upišite pametno ime za to, odaberite stvorite projekt koristeći analogni ili mješoviti A/D, odaberite 'kreirajte prazan projekt', pogledajte sliku za organizaciju datoteka vašeg projekta, na svakoj stranici ćete sastaviti komponente (otpornike, kondenzatore itd.) kako biste izgradili dio vašeg krug koji želite. Na svakoj stranici kliknite na dio na alatnoj traci pri vrhu i kliknite dio za otvaranje popisa dijelova na kojem tražite otpornike, kondenzatore, operativna pojačala i izvore napajanja. Također u padajućem izborniku Mjesto pronaći ćete uzemljenje i žicu koje ćete morati koristiti. Sada dizajnirajte svaku svoju stranicu kako se vidi na priloženim slikama koristeći vrijednosti koje ste izračunali.

Pokrenite AC Sweeps kako biste bili sigurni da se filtriranje i pojačavanje zaista događaju kako očekujete

Dodao sam dvije brojke za njihovu simulaciju. Primijetite zareze pri 60 Hz i filtriranje visokih frekvencija. Obratite pažnju na boje linija i označene izraze u tragovima, također sam pokrenuo cijeli krug zajedno pa biste trebali steći predodžbu o tome što biste trebali očekivati!

Za brisanje odaberite PSpice, kliknite PSpice, Novi profil simulacije, promijenite u AC Sweep i postavite željene frekvencije za početak, zaustavljanje i vrijednost prirasta. U izborniku PSpice također sam odabrao markere, napredne i odabrao napon dB i postavio marker na mjesto gdje sam želio mjeriti izlaz, to pomaže kasnije, tako da ne morate ručno dodavati izmjenu traga. Zatim ponovno idite na gumb izbornika PSpice i odaberite Pokreni ili samo pritisnite F11. Kad se simulator otvori, ako je potrebno: kliknite na trag, dodajte trag, a zatim odaberite odgovarajući izraz praćenja, poput V (U6: OUT) ako želite mjeriti izlazni napon na pinu OUT opampa U6.

Instrumentalno pojačalo: Koristite uA741 za sva tri pojačala i imajte na umu da su pojačala na slikama referencirana prema odgovarajućoj oznaci (U4, U5, U6). Pokrenite izmjenu naizmjenične struje na PSpice da biste izračunali frekvencijski odziv kola s jednim ulazom napona tako da izlaz napona u ovom slučaju bude jednak pojačanju (1000).

Notch Filter: Koristite jednonaponski izvor napajanja naizmjeničnom strujom kao što je prikazano na slici i operativno pojačalo uA741 i pazite da napajate svako op pojačalo koje koristite (napaja se sa 15V DC). Pokrenite izmjeničnu struju, preporučujem korake od 30 do 100 Hz po 10 Hz kako biste osigurali zarez na 60 Hz koji bi filtrirao električne signale.

Niskopropusni filter: Upotrijebite operativno pojačalo uA741 (pogledajte sliku kao što je naše označeno sa U1) i opskrbite krug izmjeničnom strujom od jednog volta. Napajajte op -pojačala s istosmjernim naponom od 15 volti i izmjerite izlaz izmjenične struje na pinu 6 U1 koji se povezuje sa žicom prikazanom na slici. Naizmjenično čišćenje koristi se za izračunavanje frekvencijskog odziva kruga i s jednim ulazom napona koji postavite, izlaz napona trebao bi biti jednak pojačanju-1.

Korak 2: Izgradite fizičko kolo na pločici

Ovo može biti izazov, ali imam puno povjerenje u vas! Upotrijebite vrijednosti i sheme koje ste stvorili i testirali (nadamo se da znate da rade zahvaljujući simulatoru kruga) da biste ovo izgradili na matičnoj ploči. Pobrinite se da napajanje (1 Vp-p od strane generatora funkcija) primjenjujete samo na početak, ne u svakoj fazi ako testirate cijelo kolo, za testiranje cijelog kruga spojite svaki dio (instrumentacijsko pojačalo za zarezivanje filtera na niskopropusne), pobrinite se da napajajte V+ i V- (15V) svakim op-amp-om, a možete ispitati pojedinačne stupnjeve mjerenjem izlaza na različitim frekvencijama pomoću osciloskopa kako biste bili sigurni da stvari poput filtriranja rade. Možete upotrijebiti ugrađeni srčani val na generatoru funkcija kada zajedno testirate cijeli krug i tada ćete vidjeti QRS valni oblik prema očekivanjima. Uz malo frustracije i upornosti trebali biste to fizički izgraditi!

Dodali smo i pojasni kondenzator od 0,1 uF paralelno sa snagama operativnog pojačala koje nisu prikazane u PSpice.

Evo nekoliko savjeta pri izgradnji pojedinačnih komponenti:

Za instrumentacijsko pojačalo, ako imate poteškoća u lociranju izvora greške, provjerite svaki pojedinačni izlaz tri op-pojačala. Osim toga, provjerite da li napajate izvor napajanja i ulaz ispravno. Izvor napajanja trebao bi biti spojen na pinove 4 i 7, a ulaz i izlaz napona na pinove 3 op-pojačala prve faze.

Za urezani filter, potrebno je izvršiti neka prilagođavanja vrijednosti otpornika kako bi se filter filtrirao na frekvenciji od 60 Hz. Ako se filtriranje događa više od 60 Hz, povećanje jednog od otpornika (podesili smo 2) pomoći će smanjiti frekvenciju filtra (suprotno povećanju).

Za niskopropusni filter, osiguravanje jednostavnih vrijednosti otpornika (otpornici koje već imate) značajno će smanjiti grešku!

Korak 3: LabVIEW za iscrtavanje talasa EKG -a i izračunavanje otkucaja srca (otkucaji u minuti)

Na LabVIEW -u ćete stvoriti blok dijagram i korisničko sučelje koje je dio koji će prikazati EKG valni oblik na grafikonu kao funkciju vremena i prikazati digitalni broj otkucaja srca. Priložio sam sliku onoga što treba izgraditi na labVIEW -u. Pomoću trake za pretraživanje možete pronaći potrebne komponente. Budite strpljivi s ovim, a pomoć možete pročitati i o svakom komadu.

Upotrijebite fizički DAQ za povezivanje vašeg kruga s računarom. Na DAQ pomoćniku promijenite uzorkovanje na kontinuirano i 4k.

Evo nekoliko savjeta o izgradnji dijagrama:

• Veza za pomoćnika DAQ izlazi iz "podataka" i "zaustavi".
• DAQ pomoćnik za "talasni oblik" na min max.
• Desnim klikom kliknite, kreirajte i odaberite konstantu za broj prikazan na slici.
• Desni klik, odaberite stavku, dt, ovo je za promjenu t0 u dt
• Detekcija vrha ima veze na "signal in", "prag" i "širina"
• Povežite se na "niz", a konstante na "indeks"
• Uvjerite se da je fizički pin DAQ ploče (tj. Analogni 8) pin koji odaberete u DAQ pomoćniku (pogledajte sliku)

Uključeni video zapis 'IMG_9875.mov' je računara koji prikazuje VI korisničko sučelje LabVIEW -a koje prikazuje promjenjivi oblik EKG -a i otkucaje u minuti na osnovu ulaza (poslušajte kako je objavljeno na koju se frekvenciju mijenja).

Testirajte svoj dizajn tako što ćete poslati frekvencijski ulaz od 1Hz i imati čist talasni oblik (pogledajte sliku za upoređivanje), ali trebali biste moći čitati 60 otkucaja u minuti!

Ono što ste napravili može se koristiti i za čitanje ljudskog EKG signala samo radi zabave jer ovo NIJE medicinski uređaj. Ipak morate biti oprezni sa strujom koja se daje dizajnu. Priključene površinske elektrode: pozitivne na lijevi gležanj, negativne na desni zglob i pričvršćuju tlo na desni gležanj. Pokrenite svoj labVIEW i trebali biste vidjeti valni oblik na grafikonu, a otkucaji u minuti također će se pojaviti u okviru za digitalni prikaz.