ЕКГ верига (PSpice, LabVIEW, Breadboard): 3 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:54

Забележка: Това НЕ е медицинско изделие. Това е само за образователни цели, като се използват симулирани сигнали. Ако използвате тази схема за реални измервания на ЕКГ, моля, уверете се, че веригата и връзките верига към инструмент използват подходящи техники за изолация

Тази инструкция е ръководен начин за симулиране, изграждане и тестване на верига, която приема, филтрира и усилва ЕКГ сигнали. Ще ви трябват основни познания за схеми и и малко инструменти, за да приложите цялата тази инструкция.

Електрокардиографията (ЕКГ или ЕКГ) е безболезнен, неинвазивен тест, който записва електрическата активност на сърцето и се използва за получаване на представа за състоянието на сърцето на пациента. За да се симулира успешно отчитане на ЕКГ, входните сърдечни сигнали трябва да бъдат усилени (инструментален усилвател) и филтрирани (прорези и нискочестотни филтри). Тези компоненти са създадени физически и на симулатор на верига. За да се гарантира, че всеки компонент правилно усилва или филтрира сигнал, може да се извърши AC сканиране с помощта на PSpice и експериментално. След успешно тестване на всеки компонент поотделно, сърдечен сигнал може да бъде въведен чрез завършена верига, състояща се от инструментален усилвател, филтър с прорез и нискочестотен филтър. След това човешки ЕКГ сигнал може да бъде въведен чрез ЕКГ и LabVIEW. И симулираната форма на вълната, и човешкият сърдечен сигнал могат да бъдат пуснати през LabVIEW, за да се броят ударите в минута (BPM) на входния сигнал. Като цяло входният сърдечен сигнал и човешкият сигнал трябва да могат да бъдат успешно усилвани и филтрирани, симулирайки ЕКГ, използвайки умения на веригата за проектиране, модифициране и тестване на инструментален усилвател, прорезен филтър и нискочестотна филтърна верига.

Стъпка 1: Симулирайте верига на компютър

Можете да използвате какъвто и да е софтуер, с който разполагате, за да симулирате веригата, която ще създаваме. Използвах PSpice, затова ще обясня подробностите, но стойностите на компонентите (резистори, кондензатори и т.н.) и основните изводи са еднакви, така че не се колебайте да използвате нещо друго (като circuitlab.com).

Изчислете стойностите на компонентите:

1. Първо е да се определят стойностите за инструменталния усилвател (виж снимката). Стойностите на снимката са определени с желаното усилване от 1000. Това означава, че каквото и да е входното напрежение, което подавате на тази част от веригата, ще „усили“това от стойността на усилването. Например, ако предоставите 1V, както аз направих, изходът трябва да бъде 1000V. Този инструментален усилвател има две части, така че усилването е разделено между тях, отбелязано като K1 и K2. Вижте включената снимка, искаме печалбите да са близки (затова уравнение 2 на снимката), уравнения 2 и 3 на снимката се намират с възлов анализ, а след това стойностите на резистора могат да бъдат изчислени (вижте снимката).
2. Стойностите на резистора за филтъра с прорези бяха определени чрез задаване на качествения коефициент Q на 8 и поради факта, че знаехме, че имаме на разположение много кондензатори от 0,022uF, след това продължихме напред в изчисленията, използвайки тези две условия. Вижте картината с уравнения 5 - 10, за да изчислите стойностите. Или използвайте R1 = 753.575Ω, R2 = 192195Ω, R3 = 750.643Ω, което направихме!
3. Нискочестотният филтър е за премахване на шума над определена честота, която открихме онлайн, че за ЕКГ е добре да се използва гранична честота fo, от 250 Hz. От тази честота и уравнения 11-15 (проверете снимката) изчислете стойностите на резистора за вашия нискочестотен филтър. Третирайте R3 като отворена верига и R4 като късо съединение, за да получите печалба от K = 1. Изчислихме R1 = 15, 300 ома, R2 = 25, 600 ома, C1 = 0,022 uF, C2 = 0,047 uF.

Отваряне и изграждане на PSpice:

С всички тези стойности стартирайте PSpice - Отворете „OrCAD Capture CIS“, ако се отвори изскачащ прозорец за Cadence Project Choices изберете „Allegro PCB Design CIS L“, отворете файл -> нов проект, въведете умно име за него, изберете създаване на проект използвайки аналогов или смесен A/D, изберете „създайте празен проект“, вижте снимката за файловата организация на вашия проект, във всяка страница ще намерите компилирани компоненти (резистори, кондензатори и т.н.), за да изградите частта от вашия схема, която искате. На всяка страница ще щракнете върху част в лентата с инструменти в горната част и щракнете върху част, за да отворите списък с части, където търсите резистори, кондензатори, операционни усилватели и източници на захранване. Също така в падащото меню Place ще намерите земя и проводник, които ще трябва да използвате. Сега проектирайте всяка от вашите страници, както се вижда на включените снимки, като използвате изчислените от вас стойности.

Стартирайте AC Sweeps, за да сте сигурни, че филтрирането и усилването се случват, както очаквате

Добавих две цифри за симулацията на тези. Забележете прореза при 60 Hz и филтриране на високите честоти. Обърнете внимание на цветовете на линиите и етикетираните изрази на следи, аз също проверих цялата верига заедно, така че трябва да получите представа какво трябва да очаквате!

За почистването изберете PSpice, щракнете върху PSpice, Нов симулационен профил, променете на AC Sweep и задайте желаните честоти за стартиране, спиране и стойността на нарастване. Под менюто PSpice също избрах маркери, напреднал и избрах напрежение dB и поставих маркера там, където исках да измервам изхода, това помага по -късно, така че не е нужно ръчно да добавяте промяна на проследяване. След това отидете отново на бутона за меню PSpice и изберете Run или просто натиснете F11. Когато симулаторът се отвори, ако е необходимо: щракнете върху проследяване, добавете проследяване и след това изберете подходящия израз на проследяване, като V (U6: OUT), ако искате да измерите изходното напрежение на извод OUT на opamp U6.

Инструментален усилвател: Използвайте uA741 за всичките три усилвателя и обърнете внимание, че усилвателите на снимките са посочени според съответния им етикет (U4, U5, U6). Изпълнете AC прочистването на PSpice, за да изчислите честотната характеристика на веригата с един вход за напрежение, така че изходното напрежение да е равно на усилването (1000) в този случай.

Notch Filter: Използвайте източник на захранване с едно напрежение, както е показано на снимката, и операционния усилвател uA741 и се уверете, че захранвате всеки операционен усилвател, който използвате (захранван с 15V DC). Пуснете AC sweep, препоръчвам 30 до 100 Hz на 10 Hz стъпки, за да осигурите прореза при 60 Hz, който ще филтрира електрическите сигнали.

Нискочестотен филтър: Използвайте операционния усилвател uA741 (вижте фигурата като нашата беше обозначена с U1) и захранвайте веригата с едно волтово променливо напрежение. Захранвайте операционните усилватели с DC 15 волта и измерете изхода за променливотоковото захранване на щифт 6 на U1, който се свързва с проводника, показан на снимката. Промяната на променливотоковото захранване се използва за изчисляване на честотната характеристика на веригата и с единия вход на напрежение, който сте задали, изходното напрежение трябва да е равно на усилването- 1.

Стъпка 2: Изградете физическата схема на макета

Това може да бъде предизвикателство, но имам пълна вяра във вас! Използвайте стойностите и схемите, които сте създали и тествали (надявам се, че знаете, че работят благодарение на симулатора на верига), за да изградите това върху макет. Уверете се, че прилагате само мощност (1 Vp-p от генератор на функции) в началото, а не на всеки етап, ако тествате цялата верига, за тестване на цялата верига свържете всяка част (измервателния усилвател към прореза на филтъра към нискочестотния), уверете се, че захранвайте V+ и V- (15V) към всеки операционен усилвател и можете да тествате отделни етапи чрез измерване на изхода при различни честоти с осцилоскопа, за да сте сигурни, че филтрирането работи добре. Можете да използвате вградената форма на сърдечна вълна на функционалния генератор, когато тествате цялата верига заедно и след това ще видите QRS формата на вълната, както се очаква. С малко разочарование и постоянство би трябвало да можете физически да изградите това!

Също така добавихме лентов кондензатор от 0.1uF успоредно на мощностите на операционния усилвател, които не са изобразени в PSpice.

Ето някои съвети при изграждането на отделните компоненти:

За инструменталния усилвател, ако имате затруднения с намирането на източника на грешката, проверете всеки отделен изход на трите оп-усилвателя. Освен това се уверете, че захранвате източника на захранване и входа правилно. Източникът на захранване трябва да бъде свързан към щифт 4 и 7, а входното и изходното напрежение към изводи 3 на оперативните усилватели от първия етап.

За назъбения филтър трябваше да се направят някои корекции на стойностите на резистора, за да се накара филтърът да се филтрира при честота 60 Hz. Ако филтрирането се случва по -високо от 60 Hz, увеличаването на един от резисторите (ние коригирахме 2) ще помогне да се намали честотата на филтъра (обратно на увеличаване).

За нискочестотния филтър осигуряването на прости стойности на резистора (резистори, които вече имате) значително ще намали грешката!

Стъпка 3: LabVIEW за начертаване на ЕКГ форма на вълната и изчисляване на сърдечната честота (удари в минута)

В LabVIEW ще създадете блокова диаграма и потребителски интерфейс, който е частта, която ще покаже формата на ЕКГ на графиката като функция на времето и ще покаже цифров номер на сърдечната честота. Прикачих снимка на какво да се изгради върху labVIEW, можете да използвате лентата за търсене, за да намерите необходимите компоненти. Бъдете търпеливи с това и можете също да използвате помощта, за да прочетете за всяко парче.

Използвайте физическия DAQ, за да свържете вашата верига към компютъра. На DAQ асистента променете извадката на непрекъсната и 4k.

Ето някои съвети за изграждането на диаграмата:

• Връзката на DAQ Assistant излиза от „данни“и „стоп“.
• DAQ асистент за „вход на вълната“на мин. Макс.
• Щракнете с десния бутон, създайте и изберете константа за броя, видян на снимката.
• Щракнете с десния бутон, изберете елемент, dt, това е за промяна на t0 на dt
• Откриването на пикове има връзки при "сигнал в", "праг" и "ширина"
• Свържете се с "масив" и константи с "индекс"
• Уверете се, че физическият щифт на DAQ платката (т.е. аналогов 8) е щифтът, който сте избрали в DAQ Assistant (вижте снимката)

Включеното видео „IMG_9875.mov“е на компютър, показващ VI потребителския интерфейс на LabVIEW, показващ променящата се форма на ЕКГ вълна и удари в минута въз основа на входа (слушайте, когато е обявено на каква честота е променена).

Тествайте дизайна си, като изпратите 1Hz честотен вход и той има чиста форма на вълната (вижте снимката за сравнение), но трябва да можете да четете 60 удара в минута!

Това, което сте направили, може да се използва и за четене на човешки ЕКГ сигнал само за забавление, тъй като това НЕ е медицинско изделие. Все пак трябва да внимавате с тока, подаден към дизайна. Прикрепени повърхностни електроди: положителни към левия глезен, отрицателни към дясната китка и прикрепете земята към десния глезен. Стартирайте вашия labVIEW и трябва да видите формата на вълната, която се появява на графиката, а ударите в минута също се появяват в полето за цифров дисплей.