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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

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

Ova instrukcija je vođeni način za simulaciju, izgradnju i testiranje kruga koji prima, filtrira i pojačava EKG signale. Trebat će vam osnovno znanje o sklopovima 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). Te su komponente stvorene fizički i na simulatoru kruga. Kako bi se osiguralo da svaka komponenta ispravno pojačava ili filtrira signal, izmjenom izmjenične struje može se izvesti pomoću PSpice i eksperimentalno. Nakon uspješnog testiranja svake komponente pojedinačno, srčani signal može se unijeti kroz dovršeni krug koji se sastoji od instrumentacijskog pojačala, urezanog filtra 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. Sveukupno, ulazni srčani signal i ljudski signal trebali bi se moći uspješno pojačati i filtrirati, simulirajući EKG pomoću vještina sklopa za projektiranje, modificiranje i ispitivanje instrumentalnog pojačala, urezanog filtra i kruga niskopropusnih filtera.

Korak 1: Simulirajte krug na računalu

Možete koristiti bilo koji softver koji vam je na raspolaganju za simulaciju sklopa koji ćemo stvarati. Koristio sam PSpice pa ću vam 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 instrumentalno pojačalo (vidi sliku). Vrijednosti na slici određene su željenim pojačanjem od 1000. Što znači da bez obzira na ulazni napon koji opskrbite ovim dijelom kruga, to će se "pojačati" vrijednošću pojačanja. Na primjer, ako navedete 1V kao što sam ja učinio, izlaz bi trebao biti 1000V. Ovo instrumentalno pojačalo ima dva dijela, pa je dobitak podijeljen među njima koji su označeni 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 analizom čvora, a zatim se mogu izračunati vrijednosti otpornika (vidi sliku).
2. Vrijednosti otpornika za usjek filtera određene su postavljanjem faktora kvalitete, Q, na 8, a zbog činjenice da smo znali da imamo na raspolaganju dosta kondenzatora od 0,022uF, tada smo krenuli naprijed u izračunima 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 otkrili 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 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 tim 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 pametan naziv za to, odaberite stvoriti projekt koristeći analogni ili mješoviti A/D, odaberite 'kreiraj prazan projekt', pogledajte sliku za organizaciju datoteka vašeg projekta, unutar svake stranice ćete sastaviti komponente (otpornike, kondenzatore itd.) kako biste izgradili dio vašeg sklop 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 događaju onako kako očekujete

Dodao sam dvije brojke za njihovu simulaciju. Uočite urezivanje 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 označivač na mjesto gdje sam htio 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 trag, dodajte trag, a zatim odaberite odgovarajući izraz praćenja, poput V (U6: OUT) ako želite mjeriti izlazni napon na izlazu OUT opampa U6.

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

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

Niskopropusni filtar: Upotrijebite operacijsko pojačalo uA741 (pogledajte sliku kao što je naša oznaka U1) i opskrbite krug izmjeničnom strujom od jednog volta. Uključite op -pojačala s istosmjernim naponom od 15 volti i izmjerite izlaz za izmjenu izmjenične struje na pin 6 U1 koji se spaja sa žicom prikazanom na slici. AC sweep se koristi za izračunavanje frekvencijskog odziva kruga i s jednim ulazom napona koji postavite, izlaz napona trebao bi biti jednak pojačanju-1.

Korak 2: Izgradite fizički krug 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 to izgradili na ploči. Pripazite samo na napajanje (1 Vp-p od strane generatora funkcija) na početak, ne u svakoj fazi ako testirate cijeli krug, za testiranje cijelog kruga spojite svaki dio (instrumentacijsko pojačalo za zarezivanje filtera na niskopropusne), pobrinite se da opskrbite V+ i V- (15V) svakim op-amp-om, a možete ispitati pojedinačne stupnjeve mjerenjem izlaza na različitim frekvencijama osciloskopom kako biste bili sigurni da stvari poput filtriranja rade. Možete upotrijebiti ugrađeni srčani valni oblik 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!

Također smo dodali pojasni kondenzator od 0,1 uF paralelno s snagama op pojačala koje nisu prikazane u PSpice.

Evo nekoliko savjeta pri izgradnji pojedinačnih komponenti:

Za instrumentacijsko pojačalo, ako imate poteškoća s lociranjem izvora pogreške, 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 filtar, potrebno je izvršiti neke prilagodbe vrijednosti otpornika kako bi se filter filtrirao na frekvenciji od 60 Hz. Ako se filtriranje događa više od 60 Hz, povećanje jednog od otpornika (prilagodili smo 2) pomoći će smanjiti frekvenciju filtra (suprotno povećanju).

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

Korak 3: LabVIEW za iscrtavanje EKG valnog oblika i izračunavanje otkucaja srca (otkucaji u minuti)

Na LabVIEW -u ćete izraditi 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 tim, a pomoć možete pročitati i o svakom komadu.

Upotrijebite fizički DAQ za povezivanje strujnog kruga s računalom. Na DAQ pomoćniku promijenite uzorkovanje u kontinuirano i 4k.

Evo nekoliko savjeta o izgradnji dijagrama:

• Veza DAQ pomoćnika izlazi iz "podataka" i "zaustavi".
• DAQ pomoćnik za "valni oblik" na min max.
• Desnim klikom, stvorite 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"
• Spojite se na "niz", a konstante na "indeks"
• Provjerite je li fizički pin DAQ ploče (tj. Analogni 8) pin koji odaberete u DAQ pomoćniku (pogledajte sliku)

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

Testirajte svoj dizajn slanjem frekvencijskog ulaza od 1Hz i ima čist valni oblik (pogledajte sliku za usporedbu), 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 s 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.