Circuito de ECG (PSpice, LabVIEW, placa de pruebas): 3 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:44

Nota: Este NO es un dispositivo médico. Esto es solo para fines educativos utilizando señales simuladas. Si utiliza este circuito para mediciones de ECG reales, asegúrese de que el circuito y las conexiones de circuito a instrumento estén utilizando técnicas de aislamiento adecuadas

Este instructable es una forma guiada de simular, construir y probar un circuito que toma, filtra y amplifica las señales de ECG. Necesitará conocimientos básicos de circuitos y pocos instrumentos para implementar la totalidad de este instructable.

La electrocardiografía (ECG o EKG) es una prueba indolora y no invasiva que registra la actividad eléctrica del corazón y se utiliza para conocer mejor el estado del corazón del paciente. Para simular con éxito una lectura de ECG, las señales cardíacas de entrada deben amplificarse (amplificador de instrumentación) y filtrarse (filtros de paso bajo y de muesca). Estos componentes se crearon físicamente y en un simulador de circuitos. Para asegurarse de que cada componente esté amplificando o filtrando correctamente la señal, se puede realizar un barrido de CA utilizando PSpice y de forma experimental. Después de probar con éxito cada componente individualmente, se puede ingresar una señal cardíaca a través de un circuito completo que consta del amplificador de instrumentación, el filtro de muesca y el filtro de paso bajo. Después, se puede ingresar una señal de ECG humano a través del ECG y LabVIEW. Tanto la forma de onda simulada como la señal cardíaca humana se pueden ejecutar a través de LabVIEW para contar latidos por minuto (BPM) de la señal de entrada. En general, una señal cardíaca de entrada y una señal humana deben poder amplificarse y filtrarse con éxito, simulando un ECG utilizando habilidades de circuito para diseñar, modificar y probar un amplificador de instrumentación, un filtro de muesca y un circuito de filtro de paso bajo.

Paso 1: Simular el circuito en la computadora

Puede utilizar cualquier software que tenga disponible para simular el circuito que crearemos. Usé PSpice, así que para eso explicaré los detalles, pero los valores de los componentes (resistencias, condensadores, etc.) y las principales conclusiones son todas iguales, así que siéntase libre de usar otra cosa (como circuitlab.com).

Calcule los valores de los componentes:

1. Primero es determinar los valores para el amplificador de instrumentación (ver imagen). Los valores en la imagen se determinaron teniendo una ganancia deseada de 1000. Lo que significa que cualquiera que sea el voltaje de entrada que usted suministre, esta parte del circuito 'amplificará' esto por el valor de ganancia. Por ejemplo, si proporciona 1 V como lo hice yo, la salida debería ser de 1000 V. Hay dos partes en este amplificador de instrumentación, por lo que la ganancia se divide entre las que se indican como K1 y K2. Vea la imagen incluida, queremos que las ganancias estén cerca (es por eso que la ecuación 2 en la imagen), las ecuaciones 2 y 3 en la imagen se encuentran con análisis nodal, y luego se pueden calcular los valores de resistencia (ver imagen).
2. Los valores de resistencia para el filtro de muesca se determinaron estableciendo el factor de calidad, Q, en 8 y debido al hecho de que sabíamos que teníamos suficientes condensadores de 0.022uF disponibles, luego avanzamos en los cálculos utilizando estas dos condiciones. Vea la imagen con las ecuaciones 5 - 10 para calcular los valores. O use R1 = 753.575Ω, R2 = 192195Ω, R3 = 750.643Ω, ¡que es lo que hicimos!
3. El filtro de paso bajo sirve para eliminar el ruido por encima de cierta frecuencia que encontramos en línea que para ECG es bueno usar una frecuencia de corte fo, de 250 Hz. A partir de esta frecuencia y las ecuaciones 11-15 (verifique la imagen), calcule los valores de resistencia para su filtro de paso bajo. Trate R3 como un circuito abierto y R4 como un cortocircuito para obtener una ganancia de K = 1. Calculamos R1 = 15, 300 ohmios, R2 = 25, 600 ohmios, C1 = 0.022 uF, C2 = 0.047 uF.

Abra y compile en PSpice:

Con todos estos valores, inicie PSpice - Abra 'OrCAD Capture CIS', si se abre una ventana emergente para Cadence Project Choices, seleccione 'Allegro PCB Design CIS L', abra el archivo -> nuevo proyecto, escriba un nombre inteligente para él, seleccione crear proyecto usando A / D analógico o mixto, seleccione 'crear un proyecto en blanco', vea la imagen para la organización de archivos de su proyecto, dentro de cada página es donde compilará los componentes (resistencias, capacitores, etc.) para construir la parte de su circuito que desee. En cada página, hará clic en una parte de la barra de herramientas en la parte superior y hará clic en la parte para abrir una lista de partes que es donde busca resistencias, condensadores, amplificadores operacionales y fuentes de energía. Además, en el menú desplegable Lugar encontrará tierra y cables que deberá utilizar. Ahora diseñe cada una de sus páginas como se ve en las imágenes incluidas usando los valores que calculó.

Ejecute AC Sweeps para asegurarse de que el filtrado y la amplificación se realicen como espera

Agregué dos figuras para la simulación de estos. Observe las muescas a 60 Hz y el filtrado de las frecuencias altas. Tenga en cuenta los colores de las líneas y las expresiones de seguimiento etiquetadas, ¡también ejecuté todo el circuito juntos, por lo que debería tener una idea de lo que debe esperar!

Para los barridos, seleccione PSpice, haga clic en PSpice, New Simulation Profile, cambie a AC Sweep y establezca las frecuencias deseadas para el inicio, la parada y el valor de incremento. En el menú de PSpice también seleccioné marcadores, avancé y seleccioné dB de voltaje y coloqué el marcador en el lugar donde quería medir la salida, esto ayuda más tarde para que no tenga que agregar manualmente un cambio de seguimiento. Luego, vaya al botón de menú de PSpice nuevamente y seleccione Ejecutar o simplemente presione F11. Cuando se abra el simulador, si es necesario: haga clic en trace, agregue trace y luego seleccione la expresión de seguimiento adecuada, como V (U6: OUT) si desea medir la salida de voltaje en el pin OUT del opamp U6.

Amplificador de instrumentación: Utilice el uA741 para los tres amplificadores y tenga en cuenta que los amplificadores en las imágenes están referenciados de acuerdo con su etiqueta respectiva (U4, U5, U6). Ejecute su barrido de CA en PSpice para calcular la respuesta de frecuencia del circuito con una entrada de voltaje para que la salida de voltaje sea igual a la ganancia (1000) en este caso.

Filtro de muesca: use una fuente de alimentación de CA de un voltaje como se ve en la imagen y el amplificador operacional uA741 y asegúrese de alimentar cada amplificador operacional que use (alimentado con 15 V CC). Ejecute el barrido de CA, recomiendo de 30 a 100 Hz en incrementos de 10 Hz para asegurar la muesca a 60 Hz que filtraría las señales eléctricas.

Filtro de paso bajo: Utilice el amplificador operacional uA741 (vea la figura ya que la nuestra estaba etiquetada como U1) y suministre al circuito una alimentación de CA de un voltio. Encienda los amplificadores operacionales con CC de 15 voltios y mida la salida para el barrido de CA en el pin 6 de U1 que se conecta con el cable que se ve en la imagen. El barrido de CA se utiliza para calcular la respuesta de frecuencia del circuito y con la única entrada de voltaje que establezca, la salida de voltaje debe ser igual a la ganancia-1.

Paso 2: Construya el circuito físico en una placa de pruebas

Esto puede ser un desafío, ¡pero tengo plena fe en ti! Usa los valores y esquemas que creaste y probaste (con suerte sabes que funcionan gracias al simulador de circuitos) para construir esto en una placa. Asegúrese de aplicar solo energía (1 Vp-p mediante un generador de funciones) al principio, no en cada etapa si está probando el circuito completo, para probar el circuito completo, conecte cada parte (amplificador de instrumentación a filtro de muesca a paso bajo), asegúrese de suministre V + y V- (15V) a cada amplificador operacional, y puede probar etapas individuales midiendo la salida a frecuencias variables con el osciloscopio para asegurarse de que cosas como el filtrado estén funcionando. Puede utilizar la forma de onda cardíaca incorporada en el generador de funciones cuando pruebe todo el circuito en conjunto y luego verá la forma de onda QRS como se esperaba. ¡Con un poco de frustración y persistencia deberías poder construir físicamente esto!

También agregamos un capacitor de banda de 0.1uF en paralelo a las potencias del amplificador operacional que no se muestran en PSpice.

A continuación, se ofrecen algunos consejos para crear los componentes individuales:

Para el amplificador de instrumentación, si tiene dificultades para localizar la fuente del error, verifique cada salida individual de los tres amplificadores operacionales. Además, asegúrese de que está suministrando la fuente de alimentación y la entrada correctamente. La fuente de alimentación debe conectarse a los pines 4 y 7, y la entrada y salida de voltaje a los pines 3 de los amplificadores operacionales de la primera etapa.

Para el filtro de muesca, se tuvieron que hacer algunos ajustes en los valores de la resistencia para que el filtro filtre a una frecuencia de 60 Hz. Si el filtrado ocurre por encima de 60 Hz, aumentar una de las resistencias (ajustamos 2) ayudará a reducir la frecuencia del filtro (opuesto a aumentar).

Para el filtro de paso bajo, garantizar valores de resistencia simples (resistencias que ya tiene) disminuirá el error de manera significativa.

Paso 3: LabVIEW para trazar la forma de onda de ECG y calcular la frecuencia cardíaca (latidos por minuto)

En LabVIEW creará un diagrama de bloques y una interfaz de usuario que es la parte que mostrará la forma de onda del ECG en un gráfico como función del tiempo y mostrará un número de frecuencia cardíaca digital. Adjunto una imagen de qué construir en labVIEW. Puede usar la barra de búsqueda para encontrar los componentes necesarios. Tenga paciencia con esto y también puede utilizar la ayuda para leer sobre cada pieza.

Asegúrese de utilizar el DAQ físico para conectar su circuito a la computadora. En el asistente de DAQ, cambie su muestreo a continuo y 4k.

A continuación, se ofrecen algunos consejos para crear el diagrama:

• La conexión DAQ Assistant está saliendo de "datos" y "detener".
• Asistente DAQ para "forma de onda" en el mínimo máximo.
• Haga clic derecho, cree y elija constante para el número que se ve en la imagen.
• Haga clic derecho, seleccione el elemento, dt, esto es para cambiar t0 a dt
• La detección de picos tiene conexiones en "entrada de señal", "umbral" y "ancho"
• Conéctese a "matriz" y las constantes a "índice"
• Asegúrese de que el pin físico de la placa DAQ (es decir, el analógico 8) sea el pin que seleccione en el DAQ Assistant (vea la imagen)

El video incluido 'IMG_9875.mov' es de una computadora que muestra la interfaz de usuario VI de LabVIEW mostrando la forma de onda de ECG cambiante y latidos por minuto según la entrada (escuche mientras se anuncia a qué frecuencia se cambió).

Pruebe su diseño enviando una entrada de frecuencia de 1Hz y tenga una forma de onda limpia (vea la imagen para comparar), ¡pero debería poder leer 60 latidos por minuto!

Lo que ha hecho también se puede usar para leer una señal de ECG humana solo por diversión, ya que NO es un dispositivo médico. Sin embargo, debe tener cuidado con la corriente suministrada al diseño. Electrodos de superficie adjuntos: positivo en el tobillo izquierdo, negativo en la muñeca derecha y conexión a tierra en el tobillo derecho. Ejecute su labVIEW y debería ver la forma de onda aparecer en el gráfico y los latidos por minuto también aparecerán en el cuadro de visualización digital.