EKG -krets (PSpice, LabVIEW, Breadboard): 3 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

Obs! Detta är INTE en medicinsk utrustning. Detta är endast för utbildningsändamål med hjälp av simulerade signaler. Om du använder denna krets för riktiga EKG-mätningar, se till att kretsen och krets-till-instrumentanslutningarna använder rätt isoleringsteknik

Denna instruerbara är ett guidat sätt att simulera, bygga och testa en krets som tar in, filtrerar och förstärker EKG -signaler. Du behöver grundläggande kunskaper om kretsar och och få instrument för att genomföra hela detta instruerbara.

Elektrokardiografi (EKG eller EKG) är ett smärtfritt, icke-invasivt test som registrerar hjärtats elektriska aktivitet och används för att få insikt om patientens hjärtat. För att lyckas simulera en EKG -avläsning måste inmatade hjärt -signaler förstärkas (instrumentationsförstärkare) och filtreras (hack- och lågpassfilter). Dessa komponenter skapades fysiskt och på en kretssimulator. För att säkerställa att varje komponent förstärker eller filtrerar signalen korrekt kan ett AC -svep utföras med PSpice och experimentellt. Efter framgångsrik testning av varje komponent individuellt kan en hjärtsignal matas in genom en färdig krets bestående av instrumentförstärkare, hackfilter och lågpassfilter. Därefter kan en human EKG -signal matas in via EKG och LabVIEW. Både den simulerade vågformen och den mänskliga hjärtsignalen kan köras genom LabVIEW för att räkna slag per minut (BPM) av insignalen. Sammantaget bör en ingångshjärtsignal och en mänsklig signal kunna framgångsrikt förstärkas och filtreras, simulera ett EKG med kretskunskaper för att designa, modifiera och testa en instrumentförstärkare, hackfilter och lågpassfilterkrets.

Steg 1: Simulera krets på datorn

Du kan använda vilken programvara du än har för att simulera kretsen vi ska skapa. Jag använde PSpice så det är det jag ska förklara detaljerna för men komponentvärdena (motstånd, kondensatorer, etc.) och de viktigaste take away är alla desamma så använd gärna något annat (som circuitlab.com).

Beräkna komponentvärden:

1. Först är att bestämma värden för instrumentförstärkaren (se bild). Värdena i bilden bestämdes genom att ha en önskad förstärkning på 1000. Vilket innebär att oavsett ingångsspänning du matar denna del av kretsen kommer att "förstärka" detta med förstärkningsvärdet. Om du till exempel ger 1V som jag gjorde bör utgången vara 1000V. Det finns två delar till denna instrumentationsförstärkare, så förstärkningen delas mellan dem noterade som K1 och K2. Se den medföljande bilden, vi vill att vinsterna ska vara nära (det är därför ekvation 2 på bilden), ekvationerna 2 och 3 på bilden finns med nodalanalys, och sedan kan motståndsvärdena beräknas (se bild).
2. Motståndsvärdena för hackfiltret bestämdes genom att ställa kvalitetsfaktorn, Q, till 8 och på grund av att vi visste att vi hade gott om 0,022uF kondensatorer tillgängliga, gick vi sedan framåt i beräkningar med hjälp av dessa två villkor. Se bilden med ekvationerna 5 - 10 för att beräkna värdena. Eller använd R1 = 753.575Ω, R2 = 192195Ω, R3 = 750.643Ω, vilket är vad vi gjorde!
3. Lågpassfiltret är att ta bort brus över en viss frekvens som vi fann online att för EKG är bra att använda en gränsfrekvens fo, på 250 Hz. Utifrån denna frekvens och ekvationerna 11-15 (kolla bilden) beräkna motståndsvärden för ditt lågpassfilter. Behandla R3 som en öppen krets och R4 som en kortslutning för att få en förstärkning på K = 1. Vi beräknade R1 = 15, 300 ohm, R2 = 25, 600 ohm, C1 = 0,022 uF, C2 = 0,047 uF.

Öppna och bygg på PSpice:

Med alla dessa värden, Starta PSpice - Öppna 'OrCAD Capture CIS', om en popup för Cadence Project Choices öppnas välj 'Allegro PCB Design CIS L', öppna fil -> nytt projekt, skriv ett smart namn för det, välj skapa projekt med analog eller blandad A/D, välj 'skapa ett tomt projekt', se bild för filorganisationen för ditt projekt, inom varje sida är där du kommer att kompilera komponenterna (motstånd, kondensatorer, etc.) för att bygga delen av ditt projekt krets du vill ha. På varje sida klickar du på del i verktygsfältet högst upp och klickar på del för att öppna en lista med delar där du söker efter motstånd, kondensatorer, driftförstärkare och strömkällor. I rullgardinsmenyn Place hittar du också jord och tråd som du måste använda. Designa nu var och en av dina sidor enligt de medföljande bilderna med hjälp av de värden du beräknade.

Kör AC Sweeps för att säkerställa att filtreringen och förstärkningen faktiskt sker som du förväntar dig

Jag lade till två figurer för simulering av dessa. Lägg märke till hacket vid 60 Hz och filtrera bort de höga frekvenserna. Notera linjefärgerna och märkta spåruttryck, jag körde också hela kretsen tillsammans så att du borde få en uppfattning om vad du kan förvänta dig!

För svepningar välj PSpice, klicka på PSpice, Ny simuleringsprofil, byt till AC Sweep och ställ in önskade frekvenser för start, stopp och ökningsvärdet. Under PSpice -menyn valde jag också markörer, avancerade och plockade spänning dB och satte markören där jag ville mäta utmatning, det hjälper senare så att du inte behöver lägga till ett spårningsalternativ manuellt. Packa sedan till PSpice -menyknappen igen och välj Kör eller tryck bara på F11. När simulatorn öppnas, vid behov: klicka på spårning, lägg till spårning och välj sedan lämpligt spåruttryck, till exempel V (U6: OUT) om du vill mäta spänningsutmatningen vid stift OUT på opamp U6.

Instrumentförstärkare: Använd uA741 för alla tre förstärkarna och notera att förstärkarna på bilderna refereras till respektive etikett (U4, U5, U6). Kör din AC -svep på PSpice för att beräkna kretsens frekvenssvar med en spänningsingång så att spänningsutgången ska vara lika med förstärkningen (1000) i detta fall.

Notch Filter: Använd en enspännings växelströmskälla som visas på bilden och operationsförstärkaren uA741 och se till att driva varje op -amp som du använder (drivs med 15V DC). Kör AC -svepet, jag rekommenderar 30 till 100 Hz med 10 Hz steg för att säkerställa hacket vid 60 Hz som skulle filtrera bort elektriska signaler.

Lågpassfilter: Använd driftsförstärkaren uA741 (se figuren som vår var märkt U1), och ge kretsen en en volt växelström. Koppla förstärkarna med en likström på 15 volt och mät utsignalen för AC -svepet vid stift 6 på U1 som ansluter till tråden som syns på bilden. AC-svepet används för att beräkna kretsens frekvenssvar och med den ena spänningsingången du ställer in bör spänningsutgången vara lika med förstärkningen-1.

Steg 2: Bygg den fysiska kretsen på ett brödbräda

Detta kan vara utmanande men jag har full tro på dig! Använd de värden och scheman du skapade och testade (du hoppas att de fungerar tack vare kretssimulatorn) för att bygga detta på en brödbräda. Se till att endast tillföra effekt (1 Vp-p av en funktionsgenerator) till början inte i varje steg om du testar hela kretsen, för att testa hela kretsen, anslut varje del (instrumentförstärkare för att hacka filtret till lågpass), se till att mata V+ och V- (15V) till varje op-förstärkare, och du kan testa enskilda steg genom att mäta utsignalen vid olika frekvenser med oscilloskopet för att se till att saker som det filtrerar fungerar. Du kan använda den inbyggda hjärtvågformen på funktionsgeneratorn när du testar hela kretsen tillsammans och du kommer då att se QRS-vågformen som förväntat. Med lite frustration och uthållighet borde du kunna bygga detta fysiskt!

Vi har också lagt till en bandkondensator på 0.1uF parallellt med de förstärkare som inte visas på PSpice.

Här är några tips när du bygger de enskilda komponenterna:

För instrumentförstärkaren, om du har svårt att hitta felkällan, kontrollera varje enskild utgång från de tre op-förstärkarna. Kontrollera dessutom att du levererar strömkällan och matar in korrekt. Strömkällan bör anslutas till stift 4 och 7, och spänningens ingång och utgång till stift 3 i förstärkarens förstärkare.

För hackfilteret måste vissa justeringar av motståndsvärden göras för att få filtret att filtrera ut med en frekvens på 60 Hz. Om filtreringen sker högre än 60 Hz, ökar ett av motstånden (vi justerade 2) hjälper till att sänka filterfrekvensen (motsatt att öka).

För lågpassfiltret minskar felet avsevärt genom att säkerställa enkla motståndsvärden (motstånd du redan har)!

Steg 3: LabVIEW för att plotta EKG -vågform och beräkna hjärtfrekvens (slag per minut)

På LabVIEW skapar du ett blockschema och ett användargränssnitt som är den del som visar EKG -vågformen på en graf som en funktion av tiden och visar ett digitalt pulsnummer. Jag bifogade en bild av vad du ska bygga på labVIEW du kan använda sökfältet för att hitta de komponenter som behövs. Ha tålamod med detta och du kan också använda hjälpen för att läsa om varje del.

Se till att använda den fysiska DAQ för att ansluta din krets till datorn. På DAQ -assistenten ändrar du din provtagning till kontinuerlig och 4k.

Här är några råd om hur du bygger diagrammet:

• DAQ Assistant -anslutningen kommer från "data" och "stopp".
• DAQ Assistant för att "vågform in" på min max.
• Högerklicka, skapa och välj konstant för antalet som visas på bilden.
• Högerklicka, välj objekt, dt, detta är att ändra t0 till dt
• Toppdetektering har anslutningar vid "signal in", "tröskel" och "bredd"
• Anslut till "array" och konstanterna till "index"
• Se till att fysisk DAQ -kortstift (dvs. analog 8) är stiftet du väljer i DAQ -assistenten (se bild)

Den medföljande videon 'IMG_9875.mov' är från en dator som visar VI -användargränssnittet för LabVIEW som visar den ändrade EKG -vågformen och slag per minut baserat på ingången (lyssna när det meddelas vad frekvensen ändras till).

Testa din design genom att skicka en 1Hz frekvensingång och den har en ren vågform (se bilden att jämföra med) men du bör kunna läsa 60 slag per minut!

Det du har gjort kan också användas för att läsa en mänsklig EKG -signal bara för skojs skull eftersom detta INTE är en medicinsk enhet. Du måste fortfarande vara försiktig med den ström som levereras till designen. Fästa ytelektroder: positiva till vänster fotled, negativ till höger handled och fäst marken till höger fotled. Kör din labVIEW och du bör se vågformen visas på grafen och slag per minut dyker också upp i den digitala displayrutan.