Circuito ECG (PSpice, LabVIEW, Breadboard): 3 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Nota: questo NON è un dispositivo medico. Questo è solo a scopo didattico utilizzando segnali simulati. Se si utilizza questo circuito per misurazioni ECG reali, assicurarsi che il circuito e le connessioni circuito-strumento utilizzino tecniche di isolamento adeguate

Questo istruibile è un modo guidato per simulare, costruire e testare un circuito che riceve, filtra e amplifica i segnali ECG. Avrai bisogno di una conoscenza di base dei circuiti e di pochi strumenti per implementare la totalità di questo istruibile.

L'elettrocardiografia (ECG o EKG) è un test indolore e non invasivo che registra l'attività elettrica del cuore e viene utilizzato per ottenere informazioni sullo stato del cuore del paziente. Per simulare correttamente una lettura ECG, i segnali cardiaci in ingresso devono essere amplificati (amplificatore della strumentazione) e filtrati (filtri notch e passa basso). Questi componenti sono stati creati fisicamente e su un simulatore di circuiti. Per garantire che ciascun componente amplifichi o filtri correttamente il segnale, è possibile eseguire uno sweep AC utilizzando PSpice e sperimentalmente. Dopo aver testato con successo ciascun componente singolarmente, è possibile immettere un segnale cardiaco attraverso un circuito completo costituito dall'amplificatore della strumentazione, dal filtro notch e dal filtro passa basso. Successivamente, un segnale ECG umano può essere immesso tramite l'ECG e LabVIEW. Sia la forma d'onda simulata che il segnale cardiaco umano possono essere trasmessi attraverso LabVIEW per contare i battiti al minuto (BPM) del segnale in ingresso. Nel complesso, un segnale cardiaco in ingresso e un segnale umano dovrebbero essere in grado di essere amplificati e filtrati con successo, simulando un ECG utilizzando le abilità del circuito per progettare, modificare e testare un amplificatore per strumentazione, un filtro notch e un circuito del filtro passa basso.

Passaggio 1: simula il circuito sul computer

Puoi utilizzare qualsiasi software che hai a disposizione per simulare il circuito che creeremo. Ho usato PSpice, quindi spiegherò i dettagli per questo, ma i valori dei componenti (resistenze, condensatori, ecc.).

Calcola i valori dei componenti:

1. Il primo è determinare i valori per l'amplificatore della strumentazione (vedi foto). I valori nell'immagine sono stati determinati avendo un guadagno desiderato di 1000. Il che significa che qualunque sia la tensione di ingresso fornita a questa parte del circuito lo "amplificherà" del valore di guadagno. Ad esempio, se fornisci 1V come ho fatto io, l'uscita dovrebbe essere 1000V. Ci sono due parti in questo amplificatore per strumentazione, quindi il guadagno è diviso tra di loro indicato come K1 e K2. Guarda l'immagine inclusa, vogliamo che i guadagni siano vicini (ecco perché l'equazione 2 nell'immagine), le equazioni 2 e 3 nell'immagine si trovano con l'analisi nodale, e quindi i valori del resistore possono essere calcolati (vedi immagine).
2. I valori del resistore per il filtro notch sono stati determinati impostando il fattore di qualità, Q, su 8 e poiché sapevamo di avere a disposizione molti condensatori da 0.022uF, siamo quindi andati avanti nei calcoli utilizzando queste due condizioni. Vedere l'immagine con le equazioni 5 - 10 per calcolare i valori. Oppure usa R1 = 753.575Ω, R2 = 192195Ω, R3= 750,643Ω, che è quello che abbiamo fatto!
3. Il filtro passa basso serve a rimuovere il rumore al di sopra di una certa frequenza che abbiamo trovato online che per l'ECG è bene usare una frequenza di taglio fo, di 250 Hz. Da questa frequenza e dalle equazioni 11-15 (controlla l'immagine) calcola i valori dei resistori per il tuo filtro passa basso. Tratta R3 come un circuito aperto e R4 come un cortocircuito per ottenere un guadagno di K = 1. Abbiamo calcolato R1 = 15, 300 ohm, R2 = 25, 600 ohm, C1 = 0,022 uF, C2 = 0,047 uF.

Apri e costruisci su PSpice:

Con tutti questi valori, Avvia PSpice - Apri 'OrCAD Capture CIS', se si apre un popup per Cadence Project Choices seleziona 'Allegro PCB Design CIS L', apri file -> nuovo progetto, digita un nome intelligente per esso, seleziona crea progetto utilizzando A/D analogico o misto, seleziona 'crea un progetto vuoto', vedi l'immagine per l'organizzazione dei file del tuo progetto, all'interno di ogni pagina è dove compilerai i componenti (resistenze, condensatori, ecc.) per costruire la parte del tuo circuito che vuoi In ogni pagina fai clic sulla parte nella barra degli strumenti in alto e fai clic su parte per aprire un elenco di parti in cui cercare resistori, condensatori, amplificatori operazionali e fonti di alimentazione. Anche nel menu a discesa Place troverai terra e filo che dovrai usare. Ora progetta ciascuna delle tue pagine come si vede nelle immagini incluse utilizzando i valori che hai calcolato.

Esegui AC Sweeps per assicurarti che il filtraggio e l'amplificazione avvengano effettivamente come previsto

Ho aggiunto due figure per la simulazione di questi. Notare la tacca a 60 Hz e il filtraggio delle alte frequenze. Nota i colori delle linee e le espressioni di traccia etichettate, ho anche eseguito l'intero circuito insieme, quindi dovresti avere un'idea di cosa dovresti aspettarti!

Per gli sweep selezionare PSpice, fare clic su PSpice, New Simulation Profile, passare a AC Sweep e impostare le frequenze desiderate per l'avvio, l'arresto e il valore di incremento. Nel menu PSpice ho anche selezionato i marcatori, avanzato e selezionato la tensione dB e ho messo il marcatore su dove volevo misurare l'output, questo aiuta in seguito in modo da non dover aggiungere manualmente una modifica della traccia. Quindi vai di nuovo al pulsante del menu PSpice e seleziona Esegui o premi semplicemente F11. Quando si apre il simulatore, se necessario: fare clic su traccia, aggiungere traccia e quindi selezionare l'espressione di traccia appropriata come V(U6:OUT) se si desidera misurare l'uscita di tensione al pin OUT dell'amplificatore operazionale U6.

Amplificatore per strumentazione: utilizzare l'uA741 per tutti e tre gli amplificatori e prendere nota che gli amplificatori nelle immagini sono referenziati in base alla rispettiva etichetta (U4, U5, U6). Esegui la scansione AC su PSpice per calcolare la risposta in frequenza del circuito con un ingresso di tensione in modo che l'uscita di tensione sia uguale al guadagno (1000) in questo caso.

Filtro notch: utilizzare una fonte di alimentazione CA a una tensione come mostrato nell'immagine e l'amplificatore operazionale uA741 e assicurarsi di alimentare ogni amplificatore operazionale utilizzato (alimentato con 15 V CC). Esegui la scansione AC, raccomando da 30 a 100 Hz con incrementi di 10 Hz per garantire la tacca a 60 Hz che filtrerebbe i segnali elettrici.

Filtro passa basso: utilizzare l'amplificatore operazionale uA741 (vedere la figura poiché la nostra era etichettata U1) e fornire al circuito un'alimentazione CA da un volt. Alimentare gli amplificatori operazionali con un DC 15 volt e misurare l'uscita per la scansione AC al pin 6 di U1 che si collega con il filo mostrato nell'immagine. La scansione AC viene utilizzata per calcolare la risposta in frequenza del circuito e con l'ingresso di tensione impostato, l'uscita di tensione dovrebbe essere uguale al guadagno-1.

Passaggio 2: costruisci il circuito fisico su una breadboard

Questo può essere impegnativo, ma ho piena fiducia in te! Usa i valori e gli schemi che hai creato e testato (si spera che tu sappia che funzionano grazie al simulatore di circuiti) per costruirlo su una breadboard. Assicurarsi di applicare solo l'alimentazione (1 Vp-p da un generatore di funzioni) all'inizio e non in ogni fase se si esegue il test dell'intero circuito, per testare l'intero circuito collegare ciascuna parte (amplificatore dello strumento al filtro notch al passa basso), assicurarsi di fornire V+ e V- (15 V) a ogni amplificatore operazionale e puoi testare i singoli stadi misurando l'uscita a frequenze variabili con l'oscilloscopio per assicurarti che funzioni come il filtraggio funzionino. È possibile utilizzare la forma d'onda cardiaca incorporata sul generatore di funzioni quando si testa l'intero circuito insieme e si vedrà la forma d'onda QRS come previsto. Con un po' di frustrazione e perseveranza dovresti essere in grado di costruirlo fisicamente!

Abbiamo anche aggiunto un condensatore di banda di 0.1uF in parallelo alle potenze dell'amplificatore operazionale non raffigurate in PSpice.

Ecco alcuni suggerimenti per la creazione dei singoli componenti:

Per l'amplificatore per strumentazione, se hai difficoltà a localizzare la fonte dell'errore, controlla ogni singola uscita dei tre amplificatori operazionali. Inoltre, assicurati di fornire la fonte di alimentazione e l'ingresso correttamente. La fonte di alimentazione deve essere collegata ai pin 4 e 7 e l'ingresso e l'uscita di tensione ai pin 3 degli amplificatori operazionali del primo stadio.

Per il filtro notch, è stato necessario apportare alcune modifiche ai valori del resistore per consentire al filtro di filtrare a una frequenza di 60 Hz. Se il filtraggio si verifica a una frequenza superiore a 60 Hz, l'aumento di uno dei resistori (abbiamo regolato 2) aiuterà a ridurre la frequenza del filtro (opposto all'aumento).

Per il filtro passa-basso, assicurando valori di resistenza semplici (resistenze che hai già) ridurrà significativamente l'errore!

Fase 3: LabVIEW per tracciare la forma d'onda ECG e calcolare la frequenza cardiaca (battiti al minuto)

Su LabVIEW creerai un diagramma a blocchi e un'interfaccia utente che è la parte che visualizzerà la forma d'onda ECG su un grafico in funzione del tempo e visualizzerà un numero di frequenza cardiaca digitale. Ho allegato un'immagine di cosa costruire su labVIEW puoi usare la barra di ricerca per trovare i componenti necessari. Sii paziente con questo e puoi anche usare l'aiuto per leggere su ogni pezzo.

Assicurati di utilizzare il DAQ fisico per collegare il tuo circuito al computer. Nell'assistente DAQ cambia il campionamento in continuo e 4k.

Ecco alcuni consigli su come costruire il diagramma:

• La connessione DAQ Assistant sta uscendo da "dati" e "stop".
• DAQ Assistant per "forma d'onda in" sul min max.
• Fare clic con il tasto destro, creare e scegliere costante per il numero visualizzato nell'immagine.
• Fare clic con il tasto destro, selezionare l'elemento, dt, questo è per cambiare t0 in dt
• Il rilevamento del picco ha connessioni a "segnale in ingresso", "soglia" e "larghezza"
• Connetti a "array" e le costanti a "index"
• Assicurati che il pin della scheda DAQ fisico (cioè analogico 8) sia il pin selezionato nell'assistente DAQ (vedi immagine)

Il video incluso 'IMG_9875.mov' è di un computer che mostra l'interfaccia utente VI di LabVIEW che mostra la forma d'onda ECG che cambia e i battiti al minuto in base all'input (ascolta mentre viene annunciato a cosa è cambiata la frequenza).

Metti alla prova il tuo progetto inviando un input di frequenza di 1Hz e ha una forma d'onda pulita (vedi l'immagine per confrontare) ma dovresti essere in grado di leggere 60 battiti al minuto!

Quello che hai fatto può anche essere usato per leggere un segnale ECG umano solo per divertimento in quanto NON è un dispositivo medico. Devi comunque stare attento con la corrente fornita al design. Elettrodi di superficie attaccati: positivi alla caviglia sinistra, negativi al polso destro e attaccano la massa alla caviglia destra. Esegui il tuo labVIEW e dovresti vedere la forma d'onda apparire sul grafico e anche i battiti al minuto apparire nella casella del display digitale.