EKG shēma (PSpice, LabVIEW, maizes dēlis): 3 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:57

Piezīme: Šī NAV medicīniska ierīce. Tas ir paredzēts tikai izglītojošiem mērķiem, izmantojot simulētus signālus. Ja izmantojat šo shēmu reāliem EKG mērījumiem, lūdzu, pārliecinieties, ka ķēde un ķēdes un instrumenta savienojumi izmanto pareizas izolācijas metodes

Šī pamācība ir vadīts veids, kā simulēt, veidot un pārbaudīt ķēdi, kas uzņem, filtrē un pastiprina EKG signālus. Lai īstenotu visu šo pamācību, jums būs nepieciešamas pamatzināšanas par ķēdēm un daži instrumenti.

Elektrokardiogrāfija (EKG vai EKG) ir nesāpīgs, neinvazīvs tests, kas reģistrē sirds elektrisko aktivitāti un tiek izmantots, lai gūtu ieskatu par pacienta sirds stāvokli. Lai veiksmīgi simulētu EKG nolasījumu, ievadītie sirds signāli ir jāpastiprina (instrumentu pastiprinātājs) un jāfiltrē (iecirtuma un zemas caurlaides filtri). Šīs sastāvdaļas tika izveidotas fiziski un ķēdes simulatorā. Lai nodrošinātu, ka katrs komponents pareizi pastiprina vai filtrē signālu, izmantojot PSpice un eksperimentāli, var veikt maiņstrāvas slaucīšanu. Pēc katra komponenta veiksmīgas pārbaudes atsevišķi, sirds signālu var ievadīt caur pabeigtu ķēdi, kas sastāv no instrumentu pastiprinātāja, iecirtuma filtra un zemas caurlaides filtra. Pēc tam cilvēka EKG signālu var ievadīt caur EKG un LabVIEW. Gan simulēto viļņu formu, gan cilvēka sirds signālu var palaist caur LabVIEW, lai saskaitītu ievades signāla sitienus minūtē (BPM). Kopumā sirds ieejas signālu un cilvēka signālu vajadzētu būt iespējai veiksmīgi pastiprināt un filtrēt, simulējot EKG, izmantojot shēmas prasmes, lai izstrādātu, pārveidotu un pārbaudītu instrumentu pastiprinātāju, iecirtuma filtru un zemas caurlaidības filtra ķēdi.

1. darbība: modelējiet ķēdi datorā

Jūs varat izmantot jebkuru pieejamo programmatūru, lai modelētu ķēdi, kuru mēs izveidosim. Es izmantoju PSpice, tāpēc es izskaidrošu sīkāku informāciju, bet komponentu vērtības (rezistori, kondensatori utt.) Un galvenās izejas ir vienādas, tāpēc nekautrējieties izmantot kaut ko citu (piemēram, circuitlab.com).

Aprēķiniet komponentu vērtības:

1. Pirmkārt, ir jānosaka instrumentu pastiprinātāja vērtības (skatīt attēlu). Attēlā redzamās vērtības tika noteiktas ar vēlamo pastiprinājumu 1000. Tas nozīmē, ka neatkarīgi no ieejas sprieguma, ko jūs piegādājat, šī ķēdes daļa to “pastiprinās” ar pastiprinājuma vērtību. Piemēram, ja jūs sniedzat 1V, kā es, izejai jābūt 1000 V. Šim instrumentu pastiprinātājam ir divas daļas, tāpēc ieguvums tiek sadalīts starp tiem, kas atzīmēti kā K1 un K2. Skatiet pievienoto attēlu, mēs vēlamies, lai ieguvumi būtu tuvu (tāpēc attēlā ir 2. vienādojums), 2. un 3. vienādojums attēlā tiek atrasts ar mezglu analīzi, un pēc tam var aprēķināt rezistora vērtības (skat. Attēlu).
2. Izgriezuma filtra rezistoru vērtības tika noteiktas, iestatot kvalitātes koeficientu Q līdz 8, un, tā kā mēs zinājām, ka mums ir pieejams daudz 0,022uF kondensatoru, mēs pēc tam veicām aprēķinus, izmantojot šos divus nosacījumus. Lai aprēķinātu vērtības, skatiet attēlu ar vienādojumiem 5 - 10. Vai arī izmantojiet R1 = 753,575Ω, R2 = 192195Ω, R3 = 750,663Ω, ko mēs darījām!
3. Zemas caurlaides filtrs ir paredzēts, lai novērstu troksni virs noteiktas frekvences, ko mēs atklājām tiešsaistē, ka EKG ir labi izmantot 250 Hz ierobežojuma frekvenci. No šīs frekvences un vienādojumiem 11-15 (pārbaudiet attēlu) aprēķiniet rezistoru vērtības zemas caurlaidības filtram. Apstrādājiet R3 kā atvērtu ķēdi un R4 kā īssavienojumu, lai iegūtu K = 1. Mēs aprēķinājām R1 = 15, 300 omi, R2 = 25, 600 omi, C1 = 0,022 uF, C2 = 0,047 uF.

Atvērt un veidot PSpice:

Ar visām šīm vērtībām startējiet PSpice - atveriet OrCAD Capture CIS, ja tiek atvērts uznirstošais logs Cadence Project Choices, atlasiet “Allegro PCB Design CIS L”, atveriet failu -> jauns projekts, ierakstiet tam gudru nosaukumu, izvēlieties izveidot projektu izmantojot analogo vai jaukto A/D, atlasiet “izveidot tukšu projektu”, skatiet attēlu sava projekta failu organizēšanai, katrā lapā ir vieta, kur apkoposit komponentus (rezistorus, kondensatorus utt.) ķēde, kuru vēlaties. Katrā lapā augšējā rīkjoslā noklikšķiniet uz daļas un noklikšķiniet uz daļas, lai atvērtu daļu sarakstu, kurā meklējat rezistorus, kondensatorus, darbības pastiprinātājus un barošanas avotus. Arī nolaižamajā vietā Vieta atradīsit zemi un vadu, kas jums būs jāizmanto. Tagad noformējiet katru savu lapu, kā redzams pievienotajos attēlos, izmantojot aprēķinātās vērtības.

Palaidiet AC Sweeps, lai pārliecinātos, ka filtrēšana un pastiprināšana notiek tā, kā jūs gaidāt

Šo simulācijai es pievienoju divus skaitļus. Ievērojiet iecirtumu 60 Hz frekvencē un augstfrekvenču filtrēšanu. Ņemiet vērā līniju krāsas un marķētās izsekošanas izteiksmes, es arī vadīju visu ķēdi kopā, lai jums būtu priekšstats par to, kas jums jāgaida!

Slaucīšanai atlasiet PSpice, noklikšķiniet uz PSpice, Jauns simulācijas profils, mainiet uz AC Sweep un iestatiet vēlamās sākuma, apstāšanās un pieauguma vērtības. Izvēlnē PSpice es arī izvēlējos marķierus, uzlabotus un paņēmu spriegumu dB un ievietoju marķieri vietā, kur es vēlējos izmērīt izvadi, tas palīdz vēlāk, lai jums nebūtu manuāli jāpievieno izsekošanas maiņa. Pēc tam atkal dodieties uz PSpice izvēlnes pogu un atlasiet Palaist vai vienkārši nospiediet F11. Kad tiek atvērts simulators, ja nepieciešams: noklikšķiniet uz izsekot, pievienojiet izsekošanu un pēc tam atlasiet atbilstošo izsekošanas izteiksmi, piemēram, V (U6: OUT), ja vēlaties izmērīt sprieguma izeju opamp U6 tapā OUT.

Instrumentu pastiprinātājs: izmantojiet uA741 visiem trim pastiprinātājiem un ņemiet vērā, ka attēlos redzamie pastiprinātāji ir norādīti atbilstoši to marķējumam (U4, U5, U6). Palaidiet maiņstrāvas slaucīšanu PSpice, lai aprēķinātu ķēdes frekvences reakciju ar vienu sprieguma ieeju, lai izejas spriegumam šajā gadījumā būtu jābūt vienādam ar pastiprinājumu (1000).

Izgriezuma filtrs: izmantojiet viena sprieguma maiņstrāvas avotu, kā parādīts attēlā, un operatīvo pastiprinātāju uA741 un pārliecinieties, ka visi jūsu izmantotie op pastiprinātāji (baroti ar 15 V līdzstrāvu). Palaidiet maiņstrāvas slaucīšanu, es iesaku no 30 līdz 100 Hz ar 10 Hz soli, lai nodrošinātu 60 Hz iecirtumu, kas filtrētu elektriskos signālus.

Zemas caurlaides filtrs: izmantojiet operatīvo pastiprinātāju uA741 (skatiet attēlu, kā mūsējais tika apzīmēts ar U1) un piegādājiet ķēdei vienu voltu maiņstrāvu. Ieslēdziet pastiprinātājus ar līdzstrāvu 15 volti un izmēriet maiņstrāvas slaucīšanas izeju U1 6. tapā, kas savienojas ar attēlā redzamo vadu. Maiņstrāvas slaucīšana tiek izmantota, lai aprēķinātu ķēdes frekvences reakciju, un ar vienu iestatīto sprieguma ieeju sprieguma izejai jābūt vienādai ar pastiprinājumu 1.

2. darbība. Izveidojiet fizisko shēmu uz maizes dēļa

Tas var būt izaicinājums, bet es jums pilnībā ticu! Izmantojiet izveidotās un pārbaudītās vērtības un shēmas (cerams, ka zināt, ka tās darbojas, pateicoties ķēdes simulatoram), lai to izveidotu uz maizes dēļa. Pārliecinieties, ka strāvas padeve (tikai 1 Vp-p ar funkciju ģeneratora palīdzību) tiek izmantota sākumā, nevis katrā posmā, ja tiek pārbaudīta visa ķēde, lai pārbaudītu visu ķēdi, pievienojiet katru daļu (instrumentu pastiprinātājs, lai iegrieztu filtru zemā caurlaidībā), pārliecinieties, ka piegādājiet V+ un V- (15V) katram op pastiprinātājam, un jūs varat pārbaudīt atsevišķus posmus, izmērot izeju dažādās frekvencēs ar osciloskopu, lai pārliecinātos, ka tādas lietas kā filtrēšana darbojas. Funkciju ģeneratorā varat izmantot iebūvēto sirds viļņu formu, kad kopā pārbaudāt visu ķēdi, un pēc tam redzēsit QRS viļņu formu, kā paredzēts. Ar nelielu vilšanos un neatlaidību jums vajadzētu būt iespējai to fiziski veidot!

Mēs arī pievienojām 0,1uF joslas kondensatoru paralēli op pastiprinātāja jaudām, kas nav attēlotas PSpice.

Šeit ir daži padomi, veidojot atsevišķas sastāvdaļas:

Ja jums ir grūtības atrast kļūdas avotu, mērinstrumentu pastiprinātājam pārbaudiet katru atsevišķo trīs op-ampēru izeju. Turklāt pārliecinieties, vai barošanas avots un ieeja tiek piegādāti pareizi. Barošanas avotam jābūt savienotam ar 4. un 7. tapu, bet sprieguma ieejai un izejai-uz pirmās pakāpes op-amp 3. kontaktiem.

Izgriezuma filtram bija jāveic daži rezistoru vērtību pielāgojumi, lai filtrs izfiltrētos ar 60 Hz frekvenci. Ja filtrēšana notiek augstāk par 60 Hz, viena rezistora palielināšana (mēs noregulējām 2) palīdzēs samazināt filtra frekvenci (pretēji, lai palielinātu).

Zemas caurlaidības filtram vienkāršu rezistoru vērtību nodrošināšana (jau esošie rezistori) ievērojami samazinās kļūdu!

3. solis: LabVIEW, lai uzzīmētu EKG viļņu formu un aprēķinātu sirdsdarbības ātrumu (sitieni minūtē)

Vietnē LabVIEW jūs izveidosit blokshēmu un lietotāja interfeisu, kas ir daļa, kas grafikā parādīs EKG viļņu formu kā laika funkciju un parādīs digitālo sirdsdarbības skaitli. Es pievienoju attēlu, ko veidot, izmantojot labVIEW, jūs varat izmantot meklēšanas joslu, lai atrastu nepieciešamos komponentus. Esiet pacietīgs, un jūs varat arī izmantot palīdzību, lai lasītu par katru gabalu.

Noteikti izmantojiet fizisko DAQ, lai savienotu ķēdi ar datoru. DAQ palīgā nomainiet paraugu ņemšanu uz nepārtrauktu un 4 k.

Šeit ir daži padomi, kā izveidot diagrammu:

• DAQ palīga savienojums nāk no “datiem” un “apstāties”.
• DAQ palīgs “viļņu ievadīšanai” minimālajā maks.
• Ar peles labo pogu noklikšķiniet, izveidojiet un izvēlieties nemainīgu skaitlim, kas redzams attēlā.
• Ar peles labo pogu noklikšķiniet, atlasiet vienumu, dt, tas ir, lai mainītu t0 uz dt
• Maksimuma noteikšanai ir savienojumi "signāls", "slieksnis" un "platums"
• Izveidojiet savienojumu ar "masīvu" un konstantes uz "indeksu"
• Pārliecinieties, vai DAQ palīga fiziskā DAQ plāksnes tapa (t.i., 8. analogā) ir PIN (skatiet attēlu)

Iekļautais video “IMG_9875.mov” ir dators, kas parāda LabVIEW VI lietotāja saskarni, parādot mainīgo EKG viļņu formu un sitienus minūtē, pamatojoties uz ievadīto informāciju (klausieties, kā tiek paziņots, uz kādu frekvenci tiek mainīta).

Pārbaudiet savu dizainu, nosūtot 1 Hz frekvences ieeju, un tai ir tīra viļņu forma (salīdziniet ar attēlu), bet jums vajadzētu būt iespējai nolasīt 60 sitienus minūtē!

Jūsu radīto var izmantot arī cilvēka EKG signāla nolasīšanai tikai sava prieka pēc, jo tā NAV medicīniska ierīce. Jums joprojām jābūt uzmanīgiem, izmantojot projektam piegādāto strāvu. Piestiprinātie virsmas elektrodi: pozitīvi pret kreiso potīti, negatīvi pret labo plaukstas locītavu un piestipriniet zemi pie labās potītes. Palaidiet savu labVIEW, un grafikā vajadzētu redzēt viļņu formu, un digitālā displeja lodziņā parādās arī sitieni minūtē.