EKG vezje (PSpice, LabVIEW, Breadboard): 3 koraki

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

Opomba: To NI medicinski pripomoček. To je samo v izobraževalne namene z uporabo simuliranih signalov. Če uporabljate to vezje za prave meritve EKG-ja, se prepričajte, da vezje in povezave vezje-instrument uporabljajo ustrezne izolacijske tehnike

Ta navodila so vodeni način za simulacijo, izdelavo in preizkušanje vezja, ki sprejema, filtrira in ojača signale EKG. Za izvajanje celotnega navodila boste potrebovali osnovno znanje o vezjih in nekaj instrumentov.

Elektrokardiografija (EKG ali EKG) je neboleč, neinvaziven test, ki beleži električno aktivnost srca in se uporablja za vpogled v bolnikovo stanje srca. Za uspešno simulacijo odčitavanja EKG je treba vhodne srčne signale ojačati (instrumentacijski ojačevalnik) in filtrirati (zarezni in nizkoprepustni filtri). Te komponente so bile ustvarjene fizično in na simulatorju vezja. Da bi zagotovili, da vsaka komponenta pravilno ojača ali filtrira signal, lahko s pomočjo PSpice in eksperimentalno izvedete izmenični tok. Po uspešnem preskušanju vsake komponente posebej lahko srčni signal vnesemo skozi zaključeno vezje, ki ga sestavljajo instrumentacijski ojačevalnik, zarezni filter in nizkoprepustni filter. Po tem lahko prek EKG in LabVIEW vnesete signal človeškega EKG -ja. Tako simulirano obliko vala kot srčni signal pri človeku je mogoče prenašati skozi LabVIEW, da bi šteli udarce na minuto (BPM) vhodnega signala. Na splošno bi bilo treba vhodni srčni signal in človeški signal uspešno ojačati in filtrirati, simulirati EKG z uporabo vezja za načrtovanje, spreminjanje in preizkušanje instrumentalnega ojačevalnika, zareznega filtra in nizkoprepustnega vezja filtra.

1. korak: Simulirajte vezje v računalniku

Za simulacijo vezja, ki ga bomo ustvarili, lahko uporabite katero koli programsko opremo, ki vam je na voljo. Uporabil sem PSpice, zato bom razložil podrobnosti, vendar so vrednosti komponent (upori, kondenzatorji itd.) In glavni ukrepi enaki, zato lahko uporabite kaj drugega (na primer circuitlab.com).

Izračunajte vrednosti komponent:

1. Najprej je treba določiti vrednosti za instrumentacijski ojačevalnik (glej sliko). Vrednosti na sliki so bile določene z želenim dobičkom 1000. To pomeni, da bo ne glede na vhodno napetost, ki jo napajate na tem delu vezja, to 'povečalo' za vrednost dobička. Na primer, če navedete 1V, kot sem jaz, mora biti izhod 1000V. Ta instrumentalni ojačevalnik ima dva dela, zato je dobiček razdeljen med njimi, označen kot K1 in K2. Oglejte si priloženo sliko, želimo, da so dobički blizu (zato enačbo 2 na sliki), enačbi 2 in 3 na sliki najdemo z analizo vozlov, nato pa lahko izračunamo vrednosti uporov (glej sliko).
2. Vrednosti upora za zarezni filter smo določili z nastavitvijo faktorja kakovosti Q na 8 in ker smo vedeli, da imamo na voljo veliko kondenzatorjev 0,022uF, smo nato pri teh dveh pogojih nadaljevali z izračuni. Za izračun vrednosti si oglejte sliko z enačbami 5 - 10. Ali uporabite R1 = 753,575Ω, R2 = 192195Ω, R3 = 750,643Ω, kar smo storili!
3. Nizkoprepustni filter je namenjen odstranjevanju hrupa nad določeno frekvenco, za katero smo na spletu ugotovili, da je za EKG dobro uporabiti mejno frekvenco fo, 250 Hz. Iz te frekvence in enačb 11-15 (preverite sliko) izračunajte vrednosti uporov za vaš nizkoprepustni filter. R3 obravnavajte kot odprt krog in R4 kot kratek stik, da dobite dobiček K = 1. Izračunali smo R1 = 15, 300 ohmov, R2 = 25, 600 ohmov, C1 = 0,022 uF, C2 = 0,047 uF.

Odpri in nadgradi na PSpice:

Z vsemi temi vrednostmi zaženite PSpice - odprite 'OrCAD Capture CIS', če se odpre pojavno okno za Cadence Project Choices, izberite 'Allegro PCB Design CIS L', odprite datoteko -> nov projekt, vnesite pametno ime zanj, izberite ustvari projekt z uporabo analognega ali mešanega A/D -ja izberite 'ustvari prazen projekt', poglejte sliko za organizacijo datotek vašega projekta, na vsaki strani boste sestavili komponente (upore, kondenzatorje itd.), da sestavite del svojega vezje, ki ga želite. Na vsaki strani kliknete del v orodni vrstici na vrhu in kliknete del, da odprete seznam delov, kjer iščete upore, kondenzatorje, operacijske ojačevalnike in vire energije. Tudi v spustnem meniju Kraj boste našli ozemljitev in žico, ki jih boste morali uporabiti. Zdaj oblikujte vsako svojo stran, kot je prikazano na priloženih slikah, z uporabo izračunanih vrednosti.

Zaženite AC Sweeps, da zagotovite, da se filtriranje in ojačanje dejansko dogajata, kot pričakujete

Za simulacijo teh sem dodal dve številki. Opazite zarezo pri 60 Hz in filtriranje visokih frekvenc. Upoštevajte barve linij in označene izraze sledi, skupaj sem vodil tudi celo vezje, tako da bi morali vedeti, kaj bi morali pričakovati!

Za pometanja izberite PSpice, kliknite PSpice, Nov profil simulacije, spremenite v AC Sweep in nastavite želene frekvence za zagon, ustavitev in vrednost prirastka. V meniju PSpice sem izbral tudi označevalce, napredno in izbral napetost dB ter oznako postavil na mesto, kjer sem želel izmeriti izhod, to pomaga kasneje, tako da vam ni treba ročno dodajati spreminjanja sledi. Nato znova pojdite na gumb menija PSpice in izberite Zaženi ali pa pritisnite F11. Ko se simulator odpre, če je potrebno: kliknite sled, dodajte sled in nato izberite ustrezen izraz sledenja, na primer V (U6: OUT), če želite izmeriti izhodno napetost na izhodu OUT opampa U6.

Instrumentacijski ojačevalnik: Uporabite uA741 za vse tri ojačevalnike in upoštevajte, da so ojačevalci na slikah navedeni glede na njihovo oznako (U4, U5, U6). Zaženite izmenični tok na PSpice, da izračunate frekvenčni odziv vezja z enim napetostnim vhodom, tako da mora biti v tem primeru izhodna napetost enaka dobičku (1000).

Notch Filter: Uporabite enonapetostni vir napajanja, kot je prikazano na sliki, in operacijski ojačevalnik uA741 ter poskrbite, da boste napajali vsak ojačevalnik, ki ga uporabljate (napaja se s 15V DC). Zaženite izmenični tok, priporočam korake od 30 do 100 Hz pri 10 Hz, da zagotovite zarezo pri 60 Hz, ki bi filtrirala električne signale.

Nizkoprepustni filter: Uporabite operacijski ojačevalnik uA741 (glejte sliko, kot je bila naša oznaka U1) in napajajte vezje z enim voltom izmeničnega toka. Napajajte op ojačevalnike z enosmernim tokom 15 voltov in izmerite izhod za izmenični tok na zatiču 6 U1, ki se poveže z žico, prikazano na sliki. AC sweep se uporablja za izračun frekvenčnega odziva vezja in z enim napetostnim vhodom, ki ga nastavite, mora biti izhodna napetost enaka ojačanju- 1.

2. korak: Zgradite fizično vezje na ploščici

To je lahko izziv, vendar popolnoma zaupam vate! Uporabite vrednosti in sheme, ki ste jih ustvarili in preizkusili (upate, da veste, da delujejo zahvaljujoč simulatorju vezja), da to zgradite na podlagi. Prepričajte se, da napajanje (1 Vp-p s pomočjo funkcijskega generatorja) uporabljate le na začetku, ne na vsaki stopnji, če preizkušate celotno vezje, za testiranje celotnega vezja povežite vsak del (instrumentalni ojačevalnik za zarezovanje filtra na nizko prepustnost). napajajte V+ in V- (15V) v vsak operacijski ojačevalnik, posamezne stopnje pa lahko preizkusite z merjenjem izhoda pri različnih frekvencah z osciloskopom, da se prepričate, da filtracije delujejo. Ko preizkusite celotno vezje skupaj, lahko uporabite vgrajeno srčno valovno obliko na generatorju funkcij, nato pa boste po pričakovanjih videli valovno obliko QRS. Z malo razočaranja in vztrajnosti bi to morali fizično zgraditi!

Dodali smo tudi pasovni kondenzator 0,1uF vzporedno z močmi operacijskega ojačevalnika, ki niso prikazane v PSpice.

Tukaj je nekaj nasvetov pri gradnji posameznih komponent:

Za instrumentacijski ojačevalnik, če imate težave pri iskanju vira napake, preverite vsak posamezen izhod treh op-ojačevalnikov. Poleg tega se prepričajte, da pravilno napajate vir napajanja in vhod. Vir napajanja mora biti priključen na nožici 4 in 7, vhodna in izhodna napetost pa na zatiči 3 op-ojačevalnikov prve stopnje.

Za zarezni filter je bilo treba narediti nekaj prilagoditev vrednosti upora, da bi filter filtriral pri frekvenci 60 Hz. Če je filtriranje višje od 60 Hz, bo povečanje enega od uporov (prilagodili smo 2) pomagalo zmanjšati frekvenco filtra (nasprotno povečati).

Za nizkoprepustni filter bo zagotavljanje enostavnih vrednosti uporov (uporov, ki jih že imate) znatno zmanjšalo napako!

Korak 3: LabVIEW za risanje valovne oblike EKG in izračun srčnega utripa (utripov na minuto)

V LabVIEW -u boste ustvarili blokovni diagram in uporabniški vmesnik, ki je del, ki bo prikazal EKG valovno obliko na grafu kot funkcijo časa in prikazal digitalno številko srčnega utripa. Priložil sem sliko o tem, kaj graditi na labVIEW, s pomočjo iskalne vrstice poiščite potrebne komponente. Bodite potrpežljivi s tem, pomoč pa lahko uporabite tudi za branje o vsakem kosu.

Za priključitev vezja na računalnik uporabite fizični DAQ. Na asistentu DAQ spremenite vzorčenje v neprekinjeno in 4k.

Tukaj je nekaj nasvetov za izdelavo diagrama:

• Povezava asistenta DAQ prihaja iz podatkov in ustavitve.
• Pomočnik DAQ za "valovno obliko" pri min max.
• Z desno tipko miške kliknite, ustvarite in izberite konstanto za število, prikazano na sliki.
• Z desno tipko miške kliknite, izberite element, dt, to je, da spremenite t0 v dt
• Zaznavanje vrha ima povezave pri "signal in", "pragu" in "širini"
• Povežite se z "nizom", konstante pa z "indeksom"
• Prepričajte se, da je fizični zatič plošče DAQ (tj. Analogni 8) zatič, ki ga izberete v Pomočniku DAQ (glejte sliko)

Vključeni videoposnetek 'IMG_9875.mov' je računalnika, ki prikazuje uporabniški vmesnik VI programa LabVIEW, ki prikazuje spreminjajočo se obliko valovanja EKG -ja in utripe na minuto glede na vhod (poslušajte, ko je objavljeno, na kakšno frekvenco se spremeni).

Preizkusite svojo zasnovo tako, da pošljete frekvenčni vhod 1Hz in ima čisto valovno obliko (glejte sliko za primerjavo), vendar bi morali prebrati 60 utripov na minuto!

Kar ste naredili, lahko uporabite tudi za branje človeškega EKG signala samo za zabavo, saj to NI medicinski pripomoček. Še vedno morate biti previdni pri toku, ki je na voljo za zasnovo. Pritrjene površinske elektrode: pozitivne na levi gleženj, negativne na desno zapestje in pritrdijo tla na desni gleženj. Zaženite svoj labVIEW in na grafikonu se prikaže valna oblika, v digitalnem prikazovalniku pa se pojavijo tudi utripi na minuto.