ECG-circuit (PSpice, LabVIEW, Breadboard): 3 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:19

Let op: dit is GEEN medisch hulpmiddel. Dit is alleen voor educatieve doeleinden met behulp van gesimuleerde signalen. Als u dit circuit gebruikt voor echte ECG-metingen, zorg er dan voor dat het circuit en de circuit-naar-instrumentverbindingen de juiste isolatietechnieken gebruiken

Deze instructable is een begeleide manier om een circuit te simuleren, te bouwen en te testen dat ECG-signalen opneemt, filtert en versterkt. Je hebt basiskennis van circuits en een paar instrumenten nodig om het geheel van deze instructable te implementeren.

Elektrocardiografie (ECG of ECG) is een pijnloze, niet-invasieve test die de elektrische activiteit van het hart registreert en wordt gebruikt om inzicht te krijgen in de toestand van het hart van de patiënt. Om een ECG-meting met succes te simuleren, moeten hartingangssignalen worden versterkt (instrumentatieversterker) en gefilterd (notch- en laagdoorlaatfilters). Deze componenten zijn fysiek en op een circuitsimulator gemaakt. Om ervoor te zorgen dat elke component het signaal correct versterkt of filtert, kan een AC-sweep worden uitgevoerd met PSpice en experimenteel. Nadat elk onderdeel afzonderlijk met succes is getest, kan een hartsignaal worden ingevoerd via een voltooid circuit dat bestaat uit de instrumentatieversterker, het inkepingsfilter en het laagdoorlaatfilter. Daarna kan een menselijk ECG-signaal worden ingevoerd via het ECG en LabVIEW. Zowel de gesimuleerde golfvorm als het menselijk hartsignaal kunnen door LabVIEW worden geleid om het aantal slagen per minuut (BPM) van het ingangssignaal te tellen. Over het algemeen moeten een ingangshartsignaal en een menselijk signaal met succes kunnen worden versterkt en gefilterd, waarbij een ECG wordt gesimuleerd met behulp van circuitvaardigheden voor het ontwerpen, wijzigen en testen van een instrumentatieversterker, inkepingsfilter en laagdoorlaatfiltercircuit.

Stap 1: Simuleer circuit op computer

Je kunt elke beschikbare software gebruiken om het circuit dat we gaan maken te simuleren. Ik heb PSpice gebruikt, dus daar zal ik de details voor uitleggen, maar de componentwaarden (weerstanden, condensatoren, enz.) En de belangrijkste afhaalrestaurants zijn allemaal hetzelfde, dus voel je vrij om iets anders te gebruiken (zoals circuitlab.com).

Componentwaarden berekenen:

1. Eerst moeten de waarden voor de instrumentatieversterker worden bepaald (zie afbeelding). De waarden in de afbeelding zijn bepaald door een gewenste versterking van 1000 te hebben. Wat betekent dat, ongeacht de ingangsspanning die u levert, dit deel van het circuit dit zal 'versterken' met de versterkingswaarde. Als u bijvoorbeeld 1V levert zoals ik deed, zou de output 1000V moeten zijn. Deze instrumentatieversterker bestaat uit twee delen, dus de versterking is verdeeld over hen, aangeduid als K1 en K2. Zie de bijgevoegde afbeelding, we willen dat de winsten dichtbij zijn (daarom vergelijking 2 in afbeelding), vergelijkingen 2 en 3 in de afbeelding worden gevonden met knoopanalyse, en dan kunnen de weerstandswaarden worden berekend (zie afbeelding).
2. De weerstandswaarden voor het notch-filter werden bepaald door de kwaliteitsfactor Q in te stellen op 8 en omdat we wisten dat we voldoende 0,022uF-condensatoren beschikbaar hadden, gingen we verder met berekeningen met behulp van deze twee voorwaarden. Zie de afbeelding met vergelijkingen 5 - 10 om de waarden te berekenen. Of gebruik R1 = 753.575Ω, R2 = 192195Ω, R3= 750.643Ω, dat is wat we deden!
3. Het laagdoorlaatfilter is om ruis boven een bepaalde frequentie te verwijderen waarvan we online hebben gevonden dat het voor ECG goed is om een afsnijfrequentie fo van 250 Hz te gebruiken. Bereken uit deze frequentie en vergelijkingen 11-15 (zie de afbeelding) weerstandswaarden voor uw laagdoorlaatfilter. Behandel R3 als een open circuit en R4 als een kortsluiting om een versterking van K = 1 te krijgen. We berekenden R1 = 15, 300 ohm, R2 = 25, 600 ohm, C1 = 0,022 uF, C2 = 0,047 uF.

Open en bouw op PSpice:

Met al deze waarden, Start PSpice - Open 'OrCAD Capture CIS', als een pop-up voor Cadence Project Choices wordt geopend, selecteer 'Allegro PCB Design CIS L', open bestand -> nieuw project, typ er een slimme naam voor, selecteer project maken gebruik analoge of gemengde A/D, selecteer 'maak een blanco project', zie afbeelding voor de bestandsorganisatie van uw project, op elke pagina zult u de componenten (weerstanden, condensatoren, enz.) compileren om het deel van uw project te bouwen kring die u wilt. Op elke pagina klikt u op een onderdeel in de werkbalk bovenaan en klikt u op onderdeel om een lijst met onderdelen te openen waarin u zoekt naar weerstanden, condensatoren, operationele versterkers en stroombronnen. Ook in de vervolgkeuzelijst Plaats vind je aarde en draad die je moet gebruiken. Ontwerp nu elk van uw pagina's zoals te zien is in de bijgevoegde afbeeldingen met behulp van de waarden die u hebt berekend.

Voer AC Sweeps uit om ervoor te zorgen dat het filteren en versterken echt gebeurt zoals u verwacht

Voor de simulatie hiervan heb ik twee figuren toegevoegd. Let op de inkeping bij 60 Hz en het wegfilteren van de hoge frequenties. Let op de lijnkleuren en gelabelde spooruitdrukkingen, ik heb ook het hele circuit samen gelopen, dus je zou een idee moeten krijgen van wat je zou moeten verwachten!

Voor de sweeps selecteert u PSpice, klikt u op PSpice, Nieuw simulatieprofiel, wijzigt u naar AC Sweep en stelt u de gewenste frequenties in voor start, stop en de incrementwaarde. Onder het PSpice-menu selecteerde ik ook markers, geavanceerd en gekozen spanning dB en plaatste de marker op waar ik de output wilde meten, dit helpt later, zodat je niet handmatig een trace-wijziging hoeft toe te voegen. Ga dan weer naar de PSpice-menuknop en selecteer Uitvoeren of druk gewoon op F11. Wanneer de simulator wordt geopend, indien nodig: klik op trace, voeg trace toe en selecteer vervolgens de juiste trace-expressie zoals V(U6:OUT) als u de uitgangsspanning op pin OUT van de opamp U6 wilt meten.

Instrumentatieversterker: gebruik de uA741 voor alle drie de versterkers en let op dat naar de versterkers op de afbeeldingen wordt verwezen volgens hun respectieve label (U4, U5, U6). Voer uw AC-sweep uit op PSpice om de frequentierespons van het circuit met de ene spanningsingang te berekenen, zodat de uitgangsspanning in dit geval gelijk moet zijn aan de versterking (1000).

Notch-filter: gebruik een wisselstroombron met één spanning zoals te zien is in de afbeelding en de operationele versterker uA741 en zorg ervoor dat u elke opamp die u gebruikt van stroom voorziet (gevoed met 15V DC). Voer de AC-sweep uit, ik adviseer stappen van 30 tot 100 Hz bij 10 Hz om te zorgen voor de inkeping bij 60 Hz die elektrische signalen zou filteren.

Laagdoorlaatfilter: gebruik de operationele versterker uA741 (zie de afbeelding aangezien die van ons U1 was) en voorzie het circuit van een wisselstroom van één volt. Voed de opamps met een DC 15 volt en meet de output voor de AC-sweep op pin 6 van U1 die is verbonden met de draad die op de afbeelding te zien is. De AC-sweep wordt gebruikt om de frequentierespons van het circuit te berekenen en met de ene spanningsingang die u instelt, moet de spanningsuitgang gelijk zijn aan de versterking-1.

Stap 2: Bouw het fysieke circuit op een breadboard

Dit kan een uitdaging zijn, maar ik heb het volste vertrouwen in je! Gebruik de waarden en schema's die je hebt gemaakt en getest (je weet hopelijk dat ze werken dankzij de circuitsimulator) om dit op een breadboard te bouwen. Zorg ervoor dat u alleen stroom (1 Vtt door een functiegenerator) aan het begin zet, niet in elke fase als u het hele circuit test, sluit voor het testen van het hele circuit elk onderdeel aan (instrumentatieversterker om het filter naar laagdoorlaat te filteren), zorg ervoor dat u lever V+ en V- (15V) aan elke opamp, en je kunt individuele trappen testen door de output bij verschillende frequenties met de oscilloscoop te meten om er zeker van te zijn dat dingen zoals het filteren werken. U kunt de ingebouwde hartgolfvorm op de functiegenerator gebruiken wanneer u het hele circuit samen test en u ziet dan de QRS-golfvorm zoals verwacht. Met een beetje frustratie en doorzettingsvermogen zou je dit fysiek moeten kunnen opbouwen!

We hebben ook een bandcondensator van 0.1uF parallel toegevoegd aan de opamp-vermogens die niet zijn afgebeeld in PSpice.

Hier zijn enkele tips bij het bouwen van de afzonderlijke componenten:

Voor de instrumentatieversterker, als u problemen ondervindt bij het lokaliseren van de bron van de fout, controleer dan elke afzonderlijke uitgang van de drie op-amps. Zorg er bovendien voor dat u de stroombron en invoer correct levert. De stroombron moet worden aangesloten op pin 4 en 7 en de spanningsingang en -uitgang op pinnen 3 van de op-amps van de eerste trap.

Voor het notch-filter moesten enkele aanpassingen aan de weerstandswaarden worden gemaakt om het filter eruit te laten filteren met een frequentie van 60 Hz. Als de filtering hoger is dan 60 Hz, zal het verhogen van een van de weerstanden (we hebben aangepast 2) helpen om de filterfrequentie te verlagen (in tegenstelling tot verhogen).

Voor het laagdoorlaatfilter zal het zorgen voor eenvoudige weerstandswaarden (weerstanden die u al heeft) de fout aanzienlijk verminderen!

Stap 3: LabVIEW om ECG-golfvorm te plotten en hartslag te berekenen (slagen per minuut)

Op LabVIEW maakt u een blokschema en een gebruikersinterface. Dit is het deel dat de ECG-golfvorm in een grafiek weergeeft als functie van de tijd en een digitaal hartslagnummer weergeeft. Ik heb een foto bijgevoegd van wat te bouwen op labVIEW, je kunt de zoekbalk gebruiken om de benodigde componenten te vinden. Wees hier geduldig mee en je kunt ook de hulp gebruiken om over elk stuk te lezen.

Zorg ervoor dat u de fysieke DAQ gebruikt om uw circuit op de computer aan te sluiten. Wijzig op de DAQ-assistent uw bemonstering in continu en 4k.

Hier is wat advies over het bouwen van het diagram:

• DAQ Assistant-verbinding komt uit "data" en "stop".
• DAQ-assistent om "golfvorm in" op de min max.
• Klik met de rechtermuisknop, maak en kies constant voor het nummer dat in de afbeelding te zien is.
• Klik met de rechtermuisknop, selecteer item, dt, dit is om t0 te veranderen in dt
• Piekdetectie heeft aansluitingen bij "signaal in", "drempel" en "breedte"
• Maak verbinding met "array" en de constanten met "index"
• Zorg ervoor dat de fysieke DAQ-kaartpin (d.w.z. analoog 8) de pin is die u selecteert in de DAQ Assistant (zie afbeelding)

De meegeleverde video 'IMG_9875.mov' is van een computer die de VI-gebruikersinterface van LabVIEW toont en de veranderende ECG-golfvorm en beats per minuut weergeeft op basis van de invoer (luister terwijl er wordt aangekondigd waarnaar de frequentie wordt gewijzigd).

Test je ontwerp door een 1Hz-frequentie-ingang te sturen en het heeft een zuivere golfvorm (zie de afbeelding om mee te vergelijken), maar je zou 60 slagen per minuut moeten kunnen lezen!

Wat je hebt gemaakt, kan ook worden gebruikt om een menselijk ECG-signaal te lezen, gewoon voor de lol, aangezien dit GEEN medisch apparaat is. Je moet echter nog steeds voorzichtig zijn met de stroom die aan het ontwerp wordt geleverd. Bijgevoegde oppervlakte-elektroden: positief aan de linkerenkel, negatief aan de rechterpols en aarde aan de rechterenkel bevestigen. Voer uw labVIEW uit en u zou de golfvorm in de grafiek moeten zien verschijnen en de beats per minuut verschijnen ook in de digitale displaybox.