EKG-Schaltung (PSpice, LabVIEW, Steckbrett): 3 Schritte

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

Hinweis: Dies ist KEIN Medizinprodukt. Dies dient nur zu Bildungszwecken mit simulierten Signalen. Wenn Sie diesen Stromkreis für echte EKG-Messungen verwenden, stellen Sie bitte sicher, dass der Stromkreis und die Stromkreis-zu-Gerät-Verbindungen geeignete Isolationstechniken verwenden

Dieses anweisbare ist ein geführter Weg, um eine Schaltung zu simulieren, aufzubauen und zu testen, die EKG-Signale aufnimmt, filtert und verstärkt. Sie benötigen Grundkenntnisse über Schaltungen und wenige Instrumente, um die Gesamtheit dieses instructable zu implementieren.

Die Elektrokardiographie (EKG oder EKG) ist ein schmerzloser, nicht-invasiver Test, der die elektrische Aktivität des Herzens aufzeichnet und verwendet wird, um Einblicke in den Zustand des Herzens des Patienten zu gewinnen. Um eine EKG-Messung erfolgreich zu simulieren, müssen eingehende Herzsignale verstärkt (Instrumentenverstärker) und gefiltert (Notch- und Tiefpassfilter) werden. Diese Komponenten wurden physisch und auf einem Schaltungssimulator erstellt. Um sicherzustellen, dass jede Komponente das Signal korrekt verstärkt oder filtert, kann ein AC-Sweep mit PSpice und experimentell durchgeführt werden. Nachdem jede Komponente einzeln erfolgreich getestet wurde, kann ein Herzsignal durch eine vollständige Schaltung eingegeben werden, die aus dem Instrumentenverstärker, dem Kerbfilter und dem Tiefpassfilter besteht. Danach kann ein menschliches EKG-Signal über das EKG und LabVIEW eingegeben werden. Sowohl die simulierte Wellenform als auch das menschliche Herzsignal können über LabVIEW laufen, um die Schläge pro Minute (BPM) des Eingangssignals zu zählen. Insgesamt sollten ein Herz-Eingangssignal und ein menschliches Signal erfolgreich verstärkt und gefiltert werden können, indem ein EKG simuliert wird, indem Schaltkreiskenntnisse zum Entwerfen, Modifizieren und Testen eines Instrumentenverstärkers, eines Kerbfilters und einer Tiefpassfilterschaltung verwendet werden.

Schritt 1: Schaltkreis auf Computer simulieren

Sie können jede verfügbare Software verwenden, um die Schaltung zu simulieren, die wir erstellen werden. Ich habe PSpice verwendet, deshalb erkläre ich die Details, aber die Komponentenwerte (Widerstände, Kondensatoren usw.) und die wichtigsten Take-Aways sind alle gleich..

Komponentenwerte berechnen:

1. Zuerst werden Werte für den Instrumentenverstärker ermittelt (siehe Bild). Die Werte im Bild wurden mit einer gewünschten Verstärkung von 1000 bestimmt. Das bedeutet, dass unabhängig von der Eingangsspannung, die Sie diesem Teil der Schaltung liefern, diese um den Verstärkungswert "verstärkt" wird. Wenn Sie beispielsweise 1 V bereitstellen, wie ich es getan habe, sollte der Ausgang 1000 V betragen. Dieser Instrumentenverstärker besteht aus zwei Teilen, daher wird die Verstärkung zwischen ihnen aufgeteilt, die als K1 und K2 bezeichnet werden. Siehe das enthaltene Bild, wir möchten, dass die Verstärkungen nahe beieinander liegen (deswegen Gleichung 2 im Bild), die Gleichungen 2 und 3 im Bild werden mit der Knotenanalyse gefunden, und dann können die Widerstandswerte berechnet werden (siehe Bild).
2. Die Widerstandswerte für den Notch-Filter wurden bestimmt, indem der Qualitätsfaktor Q auf 8 gesetzt wurde. Da wir wussten, dass wir genügend 0,022uF-Kondensatoren zur Verfügung hatten, gingen wir dann in den Berechnungen mit diesen beiden Bedingungen weiter. Sehen Sie sich das Bild mit den Gleichungen 5 - 10 an, um die Werte zu berechnen. Oder verwenden Sie R1 = 753,575Ω, R2 = 192195Ω, R3= 750,643Ω, was wir gemacht haben!
3. Der Tiefpassfilter dient dazu, Rauschen oberhalb einer bestimmten Frequenz zu entfernen, von der wir online gefunden haben, dass für EKG eine Grenzfrequenz fo von 250 Hz gut ist. Berechnen Sie aus dieser Frequenz und den Gleichungen 11-15 (siehe Bild) die Widerstandswerte für Ihren Tiefpassfilter. Behandeln Sie R3 als Leerlauf und R4 als Kurzschluss, um eine Verstärkung von K = 1 zu erhalten. Wir haben R1 = 15, 300 Ohm, R2 = 25, 600 Ohm, C1 = 0,022 uF, C2 = 0,047 uF berechnet.

Öffnen und erstellen Sie auf PSpice:

Mit all diesen Werten starten Sie PSpice - Öffnen Sie 'OrCAD Capture CIS', wenn sich ein Popup für Cadence Project Choices öffnet, wählen Sie 'Allegro PCB Design CIS L', öffnen Sie die Datei -> neues Projekt, geben Sie einen cleveren Namen dafür ein, wählen Sie Projekt erstellen Verwenden Sie analoges oder gemischtes A/D, wählen Sie "Ein leeres Projekt erstellen", siehe Bild für die Dateiorganisation Ihres Projekts. Auf jeder Seite werden Sie die Komponenten (Widerstände, Kondensatoren usw.) zusammenstellen, um den Teil Ihres Projekts zu bauen Schaltung Sie wollen. Auf jeder Seite klicken Sie oben in der Symbolleiste auf ein Teil und klicken auf Teil, um eine Liste von Teilen zu öffnen, in der Sie nach Widerständen, Kondensatoren, Operationsverstärkern und Stromquellen suchen. Außerdem finden Sie im Drop-down-Menü "Ort" Masse und Kabel, die Sie verwenden müssen. Gestalten Sie nun jede Ihrer Seiten wie in den beigefügten Bildern zu sehen mit den von Ihnen berechneten Werten.

Führen Sie AC-Sweeps aus, um sicherzustellen, dass die Filterung und Verstärkung tatsächlich so erfolgt, wie Sie es erwarten

Ich habe zwei Figuren für die Simulation dieser hinzugefügt. Beachten Sie das Kerben bei 60 Hz und das Herausfiltern der hohen Frequenzen. Beachten Sie die Linienfarben und die beschrifteten Trace-Ausdrücke. Ich habe auch die gesamte Schaltung zusammen ausgeführt, damit Sie eine Vorstellung davon bekommen, was Sie erwarten sollten!

Wählen Sie für die Sweeps PSpice, klicken Sie auf PSpice, New Simulation Profile, wechseln Sie zu AC Sweep und stellen Sie die gewünschten Frequenzen für Start, Stopp und den Inkrementwert ein. Unter dem PSpice-Menü habe ich auch Marker ausgewählt, erweitert und Spannung dB ausgewählt und den Marker dort platziert, wo ich die Ausgabe messen wollte. Dies hilft später, damit Sie keine Spuränderung manuell hinzufügen müssen. Gehen Sie dann zum Packen erneut zur PSpice-Menüschaltfläche und wählen Sie Ausführen oder drücken Sie einfach F11. Wenn der Simulator geöffnet wird, falls erforderlich: Klicken Sie auf Trace, fügen Sie Trace hinzu, und wählen Sie dann den entsprechenden Trace-Ausdruck wie V(U6:OUT) aus, wenn Sie den Spannungsausgang an Pin OUT des Operationsverstärkers U6 messen möchten.

Instrumentenverstärker: Verwenden Sie den uA741 für alle drei Verstärker und beachten Sie, dass die Verstärker in den Bildern entsprechend ihrer jeweiligen Bezeichnung (U4, U5, U6) referenziert sind. Führen Sie Ihren AC-Sweep auf PSpice aus, um den Frequenzgang der Schaltung mit dem einen Spannungseingang zu berechnen, sodass der Spannungsausgang in diesem Fall gleich der Verstärkung (1000) sein sollte.

Notch-Filter: Verwenden Sie eine Wechselstromquelle mit einer Spannung, wie im Bild zu sehen, und den Operationsverstärker uA741 und stellen Sie sicher, dass Sie jeden von Ihnen verwendeten Operationsverstärker (mit 15 V DC) mit Strom versorgen. Führen Sie den AC-Sweep aus, ich empfehle 30 bis 100 Hz in Schritten von 10 Hz, um sicherzustellen, dass die Kerbe bei 60 Hz elektrische Signale herausfiltert.

Tiefpassfilter: Verwenden Sie den Operationsverstärker uA741 (siehe die Abbildung, da unsere mit U1 bezeichnet wurde) und versorgen Sie die Schaltung mit einem Volt Wechselstrom. Versorgen Sie die Operationsverstärker mit DC 15 Volt und messen Sie den Ausgang für den AC-Sweep an Pin 6 von U1, der mit dem im Bild gezeigten Draht verbunden ist. Der AC-Sweep wird verwendet, um den Frequenzgang der Schaltung zu berechnen, und mit dem einen Spannungseingang, den Sie eingestellt haben, sollte der Spannungsausgang gleich der Verstärkung-1 sein.

Schritt 2: Bauen Sie die physische Schaltung auf einem Steckbrett auf

Das kann eine Herausforderung sein, aber ich habe volles Vertrauen in Sie! Verwenden Sie die von Ihnen erstellten und getesteten Werte und Schaltpläne (Sie wissen hoffentlich, dass sie dank des Schaltungssimulators funktionieren), um dies auf einem Steckbrett zu erstellen. Stellen Sie sicher, dass beim Testen der gesamten Schaltung nur Strom (1 Vs-p von einem Funktionsgenerator) am Anfang angelegt wird, nicht in jeder Phase, um die gesamte Schaltung zu testen, schließen Sie jeden Teil (Instrumentenverstärker an Kerbfilter an Tiefpass) an Versorgen Sie jeden Operationsverstärker mit V+ und V- (15V), und Sie können einzelne Stufen testen, indem Sie die Ausgabe bei unterschiedlichen Frequenzen mit dem Oszilloskop messen, um sicherzustellen, dass Dinge wie die Filterung funktionieren. Sie können die integrierte kardiale Wellenform des Funktionsgenerators verwenden, wenn Sie den gesamten Stromkreis zusammen testen, und Sie sehen dann die QRS-Wellenform wie erwartet. Mit ein wenig Frustration und Beharrlichkeit sollten Sie dies physisch aufbauen können!

Wir haben auch einen Bandkondensator von 0,1uF parallel zu den Operationsverstärkerleistungen hinzugefügt, die in PSpice nicht abgebildet sind.

Hier einige Tipps zum Aufbau der einzelnen Komponenten:

Wenn Sie beim Instrumentenverstärker Schwierigkeiten haben, die Fehlerquelle zu lokalisieren, überprüfen Sie jeden einzelnen Ausgang der drei Operationsverstärker. Stellen Sie außerdem sicher, dass Sie die Stromquelle und den Eingang richtig versorgen. Die Stromquelle sollte an Pin 4 und 7 und der Spannungseingang und -ausgang an Pins 3 der Operationsverstärker der ersten Stufe angeschlossen werden.

Für den Notch-Filter mussten einige Anpassungen der Widerstandswerte vorgenommen werden, damit der Filter bei einer Frequenz von 60 Hz herausfiltert. Wenn die Filterung höher als 60 Hz erfolgt, hilft das Erhöhen eines der Widerstände (wir haben 2 angepasst), die Filterfrequenz zu senken (im Gegensatz zu erhöhen).

Beim Tiefpassfilter wird der Fehler erheblich reduziert, indem einfache Widerstandswerte (Widerstände, die Sie bereits haben) sichergestellt werden!

Schritt 3: LabVIEW zum Plotten der EKG-Kurve und Berechnen der Herzfrequenz (Schläge pro Minute)

In LabVIEW erstellen Sie ein Blockdiagramm und eine Benutzeroberfläche, die den Teil darstellt, der die EKG-Kurve als Funktion der Zeit grafisch darstellt und eine digitale Herzfrequenzzahl anzeigt. Ich habe ein Bild davon angehängt, was auf labVIEW gebaut werden soll. Sie können die Suchleiste verwenden, um die benötigten Komponenten zu finden. Seien Sie geduldig damit und Sie können auch die Hilfe verwenden, um über jedes Stück zu lesen.

Stellen Sie sicher, dass Sie die physische DAQ verwenden, um Ihre Schaltung mit dem Computer zu verbinden. Stellen Sie im DAQ-Assistenten Ihr Sampling auf kontinuierlich und 4k um.

Hier sind einige Ratschläge zum Erstellen des Diagramms:

• DAQ Assistant-Verbindung kommt aus „Daten“und „Stopp“.
• DAQ-Assistent zum „Wellenformen in“auf der min. max.
• Klicken Sie mit der rechten Maustaste, erstellen Sie und wählen Sie eine Konstante für die im Bild angezeigte Zahl.
• Rechtsklick, Element auswählen, dt, dies ändert t0 in dt
• Peak-Erkennung hat Anschlüsse bei "Signal in", "Threshold" und "Breite"
• Verbinden Sie sich mit "array" und die Konstanten mit "index"
• Stellen Sie sicher, dass der physische Pin der DAQ-Platine (d. h. analog 8) der Pin ist, den Sie im DAQ-Assistenten auswählen (siehe Bild)

Das enthaltene Video 'IMG_9875.mov' zeigt einen Computer, der die VI-Benutzeroberfläche von LabVIEW zeigt, die die sich ändernde EKG-Kurve und Schläge pro Minute basierend auf der Eingabe anzeigt (hören Sie, wie die Frequenz angesagt wird).

Testen Sie Ihr Design, indem Sie einen 1-Hz-Frequenzeingang senden und es hat eine saubere Wellenform (siehe Bild zum Vergleich), aber Sie sollten in der Lage sein, 60 Schläge pro Minute zu lesen!

Das, was Sie gemacht haben, kann auch zum Auslesen eines menschlichen EKG-Signals verwendet werden, da dies KEIN medizinisches Gerät ist. Sie müssen jedoch mit dem Strom, der dem Design zugeführt wird, vorsichtig sein. Angebrachte Oberflächenelektroden: positiv am linken Knöchel, negativ am rechten Handgelenk und Masse am rechten Knöchel anbringen. Führen Sie Ihr labVIEW aus und Sie sollten sehen, dass die Wellenform im Diagramm erscheint und die Schläge pro Minute auch im digitalen Anzeigefeld erscheinen.