مدار ECG (PSpice ، LabVIEW ، Breadboard): 3 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:57

توجه: این دستگاه پزشکی نیست این فقط برای اهداف آموزشی با استفاده از سیگنال های شبیه سازی شده است. اگر از این مدار برای اندازه گیری ECG واقعی استفاده می کنید ، لطفاً اطمینان حاصل کنید که مدار و اتصالات مدار به ابزار از تکنیک های جداسازی مناسب استفاده می کنند

این دستورالعمل یک راه هدایت شده برای شبیه سازی ، ساخت و آزمایش مداری است که سیگنال های ECG را دریافت ، فیلتر و تقویت می کند. برای پیاده سازی کامل این دستورالعمل ، شما نیاز به دانش اولیه در مورد مدارها و ابزارهای کمی دارید.

الکتروکاردیوگرافی (ECG یا EKG) یک آزمایش بدون درد و غیر تهاجمی است که فعالیت الکتریکی قلب را ثبت می کند و برای به دست آوردن بینش در مورد وضعیت قلب بیمار استفاده می شود. برای شبیه سازی موفقیت آمیز قرائت نوار قلب ، سیگنال های قلبی ورودی باید تقویت شوند (تقویت کننده ابزار) و فیلتر شوند (فیلترهای ناچ و کم گذر). این اجزا به صورت فیزیکی و بر روی شبیه ساز مدار ایجاد شده اند. برای اطمینان از اینکه هر جزء سیگنال را به درستی تقویت یا فیلتر می کند ، می توان با استفاده از PSpice و به صورت آزمایشی یک رفت و برگشت AC را انجام داد. پس از آزمایش موفقیت آمیز هر جزء به صورت جداگانه ، می توان یک سیگنال قلبی را از طریق یک مدار تکمیل شده متشکل از تقویت کننده ابزار ، فیلتر ناچ و فیلتر کم گذر وارد کرد. پس از آن ، ممکن است یک سیگنال ECG انسان از طریق ECG و LabVIEW وارد شود. هر دو شکل موج شبیه سازی شده و سیگنال قلبی انسان را می توان از طریق LabVIEW به منظور شمارش ضربان در دقیقه (BPM) سیگنال ورودی اجرا کرد. به طور کلی ، یک سیگنال قلبی ورودی و سیگنال انسانی باید بتوانند با موفقیت تقویت و فیلتر شوند ، با استفاده از مهارت های مدار برای طراحی ، اصلاح و آزمایش تقویت کننده ابزار ، فیلتر ناچ و فیلتر کم گذر ، یک نوار قلب را شبیه سازی کنند.

مرحله 1: شبیه سازی مدار روی کامپیوتر

می توانید از هر نرم افزاری که در دسترس دارید برای شبیه سازی مداری که ایجاد می کنیم استفاده کنید. من از PSpice استفاده کردم ، به همین دلیل است که من جزئیات آن را توضیح خواهم داد ، اما مقادیر جزء (مقاومت ، خازن ها و غیره) و راه های اصلی خروجی همه یکسان هستند ، بنابراین از چیز دیگری (مانند circuitlab.com) استفاده کنید. به

محاسبه مقادیر اجزا:

1. ابتدا تعیین مقادیر تقویت کننده ابزار (تصویر را ببینید). مقادیر موجود در تصویر با داشتن یک افزایش دلخواه 1000 تعیین می شود. این بدان معناست که ولتاژ ورودی که این بخش از مدار را تامین می کنید ، این مقدار را با مقدار افزایش "تقویت" می کند. به عنوان مثال اگر 1 ولت را همانطور که من ارائه کردم خروجی باید 1000 ولت باشد. این تقویت کننده ابزار دقیق دو بخش دارد ، بنابراین سود بین آنها به عنوان K1 و K2 تقسیم می شود. تصویر موجود را ببینید ، ما می خواهیم دستاوردها نزدیک باشند (به همین دلیل معادله 2 در تصویر) ، معادلات 2 و 3 در تصویر با تجزیه و تحلیل گره ای یافت می شوند ، و سپس می توان مقادیر مقاومت را محاسبه کرد (تصویر را ببینید).
2. مقادیر مقاومت فیلتر ناچ با تنظیم ضریب کیفیت Q ، روی 8 تعیین شد و با توجه به این واقعیت که می دانستیم مقدار زیادی خازن 0.022uF در اختیار داریم ، سپس در محاسبات با استفاده از این دو شرط جلو رفتیم. برای محاسبه مقادیر ، تصویر را با معادلات 5 - 10 مشاهده کنید. یا از R1 = 753.575Ω ، R2 = 192195Ω ، R3 = 750.643Ω استفاده کنید ، کاری که ما انجام دادیم!
3. فیلتر کم گذر برای حذف نویز بالاتر از فرکانس خاصی است که ما به صورت آنلاین دریافتیم که برای ECG خوب است از فرکانس قطع برای 250 هرتز استفاده کنیم. از این فرکانس و معادلات 11-15 (تصویر را بررسی کنید) مقادیر مقاومت را برای فیلتر کم گذر خود محاسبه کنید. R3 را به عنوان یک مدار باز و R4 را به عنوان یک اتصال کوتاه در نظر بگیرید تا بتوانید K = 1 را بدست آورید. ما R1 = 15 ، 300 اهم ، R2 = 25 ، 600 اهم ، C1 = 0.022 uF ، C2 = 0.047 uF را محاسبه کردیم.

PSPice را باز کرده و بسازید:

با تمام این مقادیر ، PSpice را راه اندازی کنید - "OrCAD Capture CIS" را باز کنید ، اگر پنجره ای برای Cadence Project Choices باز شد ، "Allegro PCB Design CIS L" را انتخاب کنید ، فایل را باز کنید -> پروژه جدید ، نام هوشمندانه ای برای آن تایپ کنید ، ایجاد پروژه را انتخاب کنید با استفاده از A/D آنالوگ یا مخلوط ، "ایجاد پروژه خالی" را انتخاب کنید ، تصویر سازمان فایل پروژه خود را ببینید ، در هر صفحه جایی است که اجزاء (مقاومت ها ، خازن ها و غیره) را برای ساختن قسمت خود کامپایل می کنید. مدار مورد نظر شما در هر صفحه روی قسمتی در نوار ابزار در بالا کلیک کرده و روی قسمت کلیک کنید تا لیستی از قطعاتی که در آن مقاومت ، خازن ، تقویت کننده های عملیاتی و منابع قدرت را جستجو می کنید باز شود. همچنین در قسمت کشویی Place شما سیم و سیم مورد نیاز خود را پیدا خواهید کرد. اکنون هر یک از صفحات خود را همانطور که در تصاویر گنجانده شده است با استفاده از مقادیری که محاسبه کرده اید طراحی کنید.

AC Sweeps را اجرا کنید تا مطمئن شوید فیلترینگ و تقویت همانطور که انتظار دارید اتفاق می افتد

من دو شکل برای شبیه سازی اینها اضافه کردم. به بریدگی در 60 هرتز و فیلتر کردن فرکانس های بالا توجه کنید. به رنگ خطوط و علامت های برچسب گذاری شده توجه کنید ، من همچنین کل مدار را با هم اجرا کردم ، بنابراین باید تصور کنید که چه انتظاری دارید!

برای رفت و برگشت ها PSpice را انتخاب کنید ، روی PSpice ، New Simulation Profile کلیک کنید ، به AC Sweep تغییر دهید و فرکانس های مورد نظر را برای شروع ، توقف و مقدار افزایش تنظیم کنید. در منوی PSpice من همچنین نشانگرها ، پیشرفته را انتخاب کردم و ولتاژ dB را انتخاب کردم و نشانگر را در جایی قرار دادم که می خواستم خروجی را اندازه گیری کنم ، بعداً به شما کمک می کند تا نیازی به تغییر دستی ردیابی نداشته باشید. سپس دوباره به دکمه منوی PSpice بسته بندی کرده و گزینه Run را انتخاب کنید یا فقط F11 را فشار دهید. هنگامی که شبیه ساز باز می شود ، در صورت نیاز: روی trace کلیک کنید ، trace را اضافه کنید و سپس اگر می خواهید ولتاژ خروجی را در پین OUT آپمپ U6 اندازه گیری کنید ، عبارت مناسب ردیابی مانند V (U6: OUT) را انتخاب کنید.

تقویت کننده ابزار: از uA741 برای هر سه تقویت کننده استفاده کنید و توجه داشته باشید که تقویت کننده های موجود در تصاویر مطابق برچسب مربوطه (U4 ، U5 ، U6) ذکر شده اند. رفت و برگشت AC خود را روی PSpice اجرا کنید تا پاسخ فرکانسی مدار را با یک ورودی ولتاژ محاسبه کنید تا در این حالت ولتاژ خروجی برابر با افزایش (1000) باشد.

فیلتر ناچ: از منبع تغذیه AC ولتاژ یکگانه مانند تصویر و تقویت کننده عملیاتی uA741 استفاده کنید و اطمینان حاصل کنید که هر آمپری را که استفاده می کنید (تغذیه شده با 15 ولت DC) تغذیه کنید. رفت و برگشت AC را اجرا کنید ، توصیه می کنم 30 تا 100 هرتز را با 10 هرتز افزایش دهید تا اطمینان حاصل کنید که درجه 60 هرتز سیگنال های الکتریکی را فیلتر می کند.

فیلتر Low Pass: از تقویت کننده عملیاتی uA741 استفاده کنید (به شکل زیر با U1 برچسب خورده مراجعه کنید) ، و مدار را با برق AC یک ولت تغذیه کنید. آمپر آمپرها را با ولتاژ 15 ولت DC تغذیه کرده و خروجی رفت و برگشت AC را در پین 6 U1 که با سیم مشاهده شده در تصویر متصل می شود اندازه گیری کنید. رفت و برگشت AC برای محاسبه پاسخ فرکانسی مدار استفاده می شود و با یک ورودی ولتاژ که تنظیم می کنید ، خروجی ولتاژ باید برابر بهره 1 باشد.

مرحله 2: ایجاد یک مدار فیزیکی روی یک تخته نان

این می تواند چالش برانگیز باشد ، اما من به شما ایمان کامل دارم! از مقادیر و شمایلی که ایجاد کرده اید و آزمایش کرده اید (امیدوارید بدانید که به لطف شبیه ساز مدار کار می کنند) برای ایجاد این روی یک تخته نان استفاده کنید. اطمینان حاصل کنید که در صورت آزمایش کل مدار ، فقط قدرت (1 Vp-p توسط ژنراتور عملکرد) را در ابتدا اعمال می کنید ، برای آزمایش کل مدار ، هر قسمت را وصل کنید (تقویت کننده ابزار برای فیلتر شکاف به پایین گذر) ، مطمئن شوید که V+ و V- (15V) را به هر آمپر متصل کنید ، و می توانید مراحل جداگانه را با اندازه گیری خروجی در فرکانس های مختلف با اسیلوسکوپ آزمایش کنید تا مطمئن شوید مواردی مانند فیلتر کردن آن کار می کند. هنگامی که کل مدار را با هم آزمایش می کنید ، می توانید از شکل موج قلبی روی ژنراتور عملکرد استفاده کنید و سپس شکل موج QRS را مطابق انتظار مشاهده کنید. با کمی ناامیدی و پشتکار شما باید بتوانید این را از نظر فیزیکی بسازید!

ما همچنین یک خازن باند 0.1uF را به موازات قدرت های تقویت کننده op اضافه کردیم که در PSpice نشان داده نشده است.

در اینجا نکاتی را هنگام ساختن اجزای فردی ارائه می دهیم:

برای تقویت کننده ابزار دقیق ، اگر در تعیین منبع خطا مشکل دارید ، هر خروجی جداگانه از سه آمپر را بررسی کنید. علاوه بر این ، اطمینان حاصل کنید که منبع تغذیه و ورودی را به درستی تامین می کنید. منبع تغذیه باید به پین 4 و 7 و ولتاژ ورودی و خروجی به پایه های 3 آمپر مرحله اول متصل شود.

برای فیلتر ناچ ، تعدادی تنظیمات مقاومت باید انجام شود تا فیلتر در فرکانس 60 هرتز فیلتر شود. اگر فیلترینگ بیش از 60 هرتز اتفاق بیفتد ، افزایش یکی از مقاومتها (ما 2 را تنظیم کرده ایم) به پایین آوردن فرکانس فیلتر (جهت افزایش) کمک می کند.

برای فیلتر پایین گذر ، اطمینان از مقادیر مقاومت ساده (مقاومت هایی که قبلاً دارید) خطا را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد!

مرحله 3: LabVIEW برای رسم شکل موج نوار قلب و محاسبه ضربان قلب (ضربان در دقیقه)

در LabVIEW شما یک بلوک دیاگرام و یک رابط کاربری ایجاد می کنید که قسمتی است که شکل موج نوار قلب را به صورت تابعی از زمان روی نمودار نشان می دهد و یک عدد ضربان قلب دیجیتال را نشان می دهد. من تصویری از آنچه در labVIEW ایجاد می شود پیوست کردم ، می توانید از نوار جستجو برای پیدا کردن اجزای مورد نیاز استفاده کنید. در این مورد صبور باشید و همچنین می توانید از راهنما برای خواندن هر قطعه استفاده کنید.

مطمئن شوید که از DAQ فیزیکی برای اتصال مدار خود به کامپیوتر استفاده می کنید. در دستیار DAQ نمونه برداری خود را به حالت پیوسته و 4k تغییر دهید.

در اینجا چند نکته در مورد ساخت نمودار ارائه شده است:

• اتصال DAQ Assistant از "داده" و "توقف" خارج می شود.
• دستیار DAQ برای "شکل موج" در حداقل حداکثر.
• راست کلیک کنید ، ایجاد کنید و ثابت را برای عددی که در تصویر دیده می شود انتخاب کنید.
• راست کلیک کنید ، مورد را انتخاب کنید ، dt ، این برای تغییر t0 به dt است
• تشخیص قله دارای اتصالات در "سیگنال در" ، "آستانه" و "عرض" است
• اتصال به "آرایه" و ثابت ها به "فهرست"
• مطمئن شوید پین برد DAQ فیزیکی (یعنی آنالوگ 8) پینی باشد که در دستیار DAQ انتخاب کرده اید (تصویر را ببینید)

ویدئوی موجود "IMG_9875.mov" مربوط به رایانه ای است که رابط کاربری VI LabVIEW را نشان می دهد و شکل موج ECG و ضربان در دقیقه بر اساس ورودی را نشان می دهد (همانطور که اعلام شد فرکانس تغییر کرده است گوش دهید).

طراحی خود را با ارسال یک ورودی فرکانس 1 هرتز آزمایش کنید و دارای شکل موج تمیز باشد (برای مقایسه با آن به تصویر مراجعه کنید) اما باید بتوانید 60 ضربه در دقیقه بخوانید!

آنچه را که ساخته اید می تواند برای خواندن سیگنال نوار قلب انسان فقط برای سرگرمی استفاده شود زیرا این یک وسیله پزشکی نیست. با این حال باید با جریان موجود در طراحی دقت کنید. الکترودهای سطحی متصل شده: مچ پای چپ مثبت ، مچ دست راست منفی است و زمین را به مچ پای راست متصل می کند. labVIEW خود را اجرا کنید و باید ببینید شکل موج روی نمودار ظاهر می شود و ضربان در دقیقه نیز در کادر نمایش دیجیتال ظاهر می شود.