Circuit ECG (PSpice, LabVIEW, Breadboard): 3 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

Nota: NO és un dispositiu mèdic. Això només té finalitats educatives mitjançant senyals simulats. Si utilitzeu aquest circuit per a mesures reals d’ECG, assegureu-vos que el circuit i les connexions de circuit a instrument utilitzen tècniques d’aïllament adequades

Aquesta instrucció és una manera guiada de simular, construir i provar un circuit que capta, filtra i amplifica els senyals ECG. Necessitareu coneixements bàsics de circuits i pocs instruments per implementar la totalitat d’aquest instructiu.

L’electrocardiografia (ECG o EKG) és una prova no invasiva indolora que registra l’activitat elèctrica del cor i que s’utilitza per obtenir informació sobre l’estat del cor del pacient. Per simular amb èxit una lectura d’ECG, cal amplificar i filtrar els senyals cardíacs d’entrada (amplificador d’instrumentació) (filtres de pas i baix). Aquests components es van crear físicament i en un simulador de circuits. Per assegurar que cada component amplifica o filtra correctament el senyal, es pot realitzar un escombrat de corrent alternatiu mitjançant PSpice i de manera experimental. Després de provar amb èxit cada component amb èxit, es pot introduir un senyal cardíac a través d’un circuit complet que consta de l’amplificador d’instrumentació, el filtre de graella i el filtre de pas baix. Després, es pot introduir un senyal d’ECG humà a través de l’ECG i LabVIEW. Tant la forma d'ona simulada com el senyal cardíac humà es poden executar a través de LabVIEW per tal de comptar pulsacions per minut (BPM) del senyal d'entrada. En general, un senyal cardíac d’entrada i un senyal humà haurien de poder ampliar-se i filtrar-se amb èxit, simulant un ECG mitjançant habilitats de circuits per dissenyar, modificar i provar un amplificador d’instrumentació, un filtre de graella i un circuit de filtre de pas baix.

Pas 1: Simular el circuit a l'ordinador

Podeu utilitzar qualsevol programari que tingueu disponible per simular el circuit que crearem. He utilitzat PSpice per això, per a això explicaré els detalls, però els valors dels components (resistències, condensadors, etc.) i les preses principals són iguals, així que no dubteu a utilitzar una altra cosa (com circuitlab.com).

Calculeu els valors dels components:

1. El primer és determinar els valors de l'amplificador d'instrumentació (vegeu la imatge). Els valors de la imatge es van determinar tenint un guany desitjat de 1000. El que significa que sigui quina sigui la tensió d’entrada que proporcioneu aquesta part del circuit “l’amplificarà” pel valor de guany. Per exemple, si proporcioneu 1V com jo, la sortida hauria de ser de 1000V. Aquest amplificador d’instrumentació té dues parts, de manera que el guany es divideix entre ells, que s’anomena K1 i K2. Vegeu la imatge inclosa, volem que els guanys siguin propers (per això, l’equació 2 de la imatge), les equacions 2 i 3 de la imatge es troben amb anàlisi nodal i es poden calcular els valors de la resistència (vegeu la imatge).
2. Els valors de la resistència per al filtre de graella es van determinar establint el factor de qualitat, Q, a 8 i, atès que sabíem que teníem disponibles molts condensadors de 0,022 uF, vam avançar en els càlculs utilitzant aquestes dues condicions. Vegeu la imatge amb les equacions 5-10 per calcular els valors. O utilitzeu R1 = 753.575Ω, R2 = 192195Ω, R3 = 750.643Ω, que és el que hem fet!
3. El filtre de pas baix és eliminar el soroll per sobre d’una freqüència determinada que hem trobat en línia que per a l’ECG és bo utilitzar una freqüència de tall de 250 Hz. A partir d’aquesta freqüència i equacions 11-15 (consulteu la imatge) calculeu els valors de la resistència per al filtre de pas baix. Tracteu R3 com un circuit obert i R4 com un curtcircuit per obtenir un guany de K = 1. Hem calculat R1 = 15, 300 ohms, R2 = 25, 600 ohms, C1 = 0,022 uF, C2 = 0,047 uF.

Obrir i construir a PSpice:

Amb tots aquests valors, inicieu PSpice: obriu "OrCAD Capture CIS", si s'obre una finestra emergent per a Cadence Project Choices, seleccioneu "Allegro PCB Design CIS L", obriu el fitxer -> projecte nou, escriviu-ne un nom intel·ligent, seleccioneu crea projecte fent servir A / D mixt o analògic, seleccioneu "crea un projecte en blanc", vegeu la imatge per a l'organització del fitxer del vostre projecte, a cada pàgina és on compilarà els components (resistències, condensadors, etc.) per construir la part del vostre circuit que vulguis. A cada pàgina, feu clic a la part de la barra d'eines que hi ha a la part superior i feu clic a la part per obrir una llista de les parts on cerqueu resistències, condensadors, amplificadors operatius i fonts d'alimentació. També al menú desplegable Lloc trobareu terra i filferro que haureu d’utilitzar. Ara dissenyeu cadascuna de les vostres pàgines tal com es veu a les imatges incloses mitjançant els valors que heu calculat.

Executeu AC Sweeps per assegurar-vos que el filtratge i l'amplificació s'estan realitzant tal com espereu

He afegit dues xifres per a la simulació d’aquestes. Fixeu-vos en l’escotadura a 60 Hz i filtrant les altes freqüències. Tingueu en compte els colors de les línies i les expressions de traça etiquetades, també he executat tot el circuit junts, de manera que us heu de fer una idea del que hauríeu d’esperar.

Per als escombrats, seleccioneu PSpice, feu clic a PSpice, Nou perfil de simulació, canvieu a AC Sweep i configureu les freqüències desitjades per a l’inici, l’aturada i el valor d’increment. Al menú PSpice també he seleccionat marcadors, avançats i heu seleccionat el voltatge dB i he posat el marcador on volia mesurar la sortida, cosa que ajuda més endavant perquè no hagueu d'afegir manualment un alterador de traça. A continuació, aneu de nou al paquet de menú PSpice i seleccioneu Executa o simplement premeu F11. Quan s'obri el simulador, si cal: feu clic a traça, afegiu traça i seleccioneu l'expressió de traça adequada com ara V (U6: OUT) si voleu mesurar la tensió de sortida al pin OUT de l'opamp U6.

Amplificador d’instrumentació: utilitzeu uA741 per als tres amplificadors i tingueu en compte que els amplificadors de les imatges es fan referència segons la seva etiqueta respectiva (U4, U5, U6). Executeu el vostre escombrat de CA a PSpice per calcular la resposta de freqüència del circuit amb una entrada de tensió de manera que la sortida de tensió sigui igual al guany (1000) en aquest cas.

Filtre de tall: utilitzeu una font d’alimentació de CA d’un voltatge com es veu a la imatge i l’amplificador operatiu uA741 i assegureu-vos d’alimentar tots els amplificadors operatius que utilitzeu (alimentats amb 15V CC). Executeu l’escombrat de corrent altern; us recomano increments de 30 a 100 Hz per 10 Hz per assegurar la osca a 60 Hz que filtraria els senyals elèctrics.

Filtre de pas baix: utilitzeu l'amplificador operatiu uA741 (vegeu la figura que portava l'etiqueta U1) i subministreu al circuit una potència d'un volt altern. Alimenteu els amplificadors operatius amb un voltatge continu de 15 volts i mesureu la sortida de l'escombrat de CA al pin 6 de U1 que es connecta amb el cable que es veu a la imatge. L’escombrat de corrent altern s’utilitza per calcular la resposta de freqüència del circuit i amb l’entrada de tensió que configureu, la sortida de tensió hauria de ser igual al guany-1.

Pas 2: creeu el circuit físic en una tauleta de pa

Això pot ser un repte, però tinc plena fe en tu. Utilitzeu els valors i els esquemes que heu creat i provat (esperem que sàpiguen que funcionen gràcies al simulador de circuits) per construir-los en una taula de treball. Assegureu-vos que només apliqueu energia (1 Vp-p per un generador de funcions) al principi, no en totes les etapes, si proveu un circuit sencer, per provar el circuit sencer connecteu cada part (amplificador d’instrumentació al filtre de graella al pas baix). subministreu V + i V- (15V) a tots els amplificadors operatius i podeu provar etapes individuals mesurant la sortida a freqüències variables amb l’oscil·loscopi per assegurar-vos que funcioni el filtratge. Podeu utilitzar la forma d’ona cardíaca incorporada al generador de funcions quan proveu tot el circuit junt i veureu la forma d’ona QRS tal com s’esperava. Amb una mica de frustració i persistència, hauríeu de ser capaços de construir-ho físicament.

També hem afegit un condensador de banda de 0,1 uF en paral·lel a les potències d'amplificador operacional que no es mostren a PSpice.

A continuació, es detallen alguns consells per construir els components individuals:

Per a l'amplificador d'instrumentació, si teniu dificultats per localitzar la font de l'error, comproveu cada sortida individual dels tres amplificadors operatius. A més, assegureu-vos que subministreu la font d’alimentació i l’entrada correctament. La font d'alimentació s'hauria de connectar als pins 4 i 7, i la tensió d'entrada i sortida als pins 3 dels amplificadors operatius de la primera etapa.

Per al filtre de graella, calia fer alguns ajustos als valors de la resistència per aconseguir que el filtre es filtrés a una freqüència de 60 Hz. Si el filtratge es produeix per sobre de 60 Hz, augmentar una de les resistències (ajustem 2) ajudarà a reduir la freqüència del filtre (oposada a augmentar).

Per al filtre de pas baix, assegurar-vos que els valors de resistència simples (resistències que ja teniu) disminuiran significativament els errors.

Pas 3: LabVIEW per representar la forma d'ona ECG i calcular la freqüència cardíaca (batecs per minut)

A LabVIEW crearà un diagrama de blocs i una interfície d'usuari que és la part que mostrarà la forma d'ona ECG en un gràfic en funció del temps i mostrarà un número de freqüència cardíaca digital. He adjuntat una imatge de què es pot construir a labVIEW. Podeu utilitzar la barra de cerca per trobar els components necessaris. Tingueu paciència amb això i també podeu utilitzar l’ajuda per llegir sobre cada peça.

Assegureu-vos d’utilitzar el DAQ físic per connectar el circuit a l’ordinador. A l’assistent DAQ, canvieu el mostreig a continu i 4k.

Aquí teniu alguns consells per construir el diagrama:

• La connexió de l'Assistent DAQ surt de "dades" i "atura".
• L’assistent de DAQ a la “forma d’ona” al màxim mín.
• Feu clic amb el botó dret, creeu i trieu la constant per al nombre que es mostra a la imatge.
• Feu clic amb el botó dret, seleccioneu l'element, dt, es tracta de canviar t0 a dt
• La detecció de pics té connexions a "senyal d'entrada", "llindar" i "amplada"
• Connecteu-vos a "array" i les constants a "index"
• Assegureu-vos que el pin del tauler DAQ físic (és a dir, l’analògic 8) sigui el pin que seleccioneu a l’Assistent DAQ (vegeu la imatge)

El vídeo inclòs "IMG_9875.mov" és d'un ordinador que mostra la interfície d'usuari VI de LabVIEW que mostra la forma d'ona d'ECG canviant i els pulsacions per minut en funció de l'entrada.

Proveu el vostre disseny enviant una entrada de freqüència d'1Hz i tingui una forma d'ona neta (vegeu la imatge per comparar-la), però hauríeu de poder llegir 60 pulsacions per minut.

El que heu creat també es pot utilitzar per llegir un senyal d’ECG humà només per diversió, ja que NO és un dispositiu mèdic. Tot i així, cal anar amb compte amb el corrent subministrat al disseny. Elèctrodes de superfície units: positius al turmell esquerre, negatius al canell dret i fixats a terra al turmell dret. Executeu el vostre labVIEW i hauríeu de veure com la forma d'ona apareix al gràfic i els batecs per minut també apareixen al quadre de visualització digital.