Circuito de ECG (PSpice, LabVIEW, breadboard): 3 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

Nota: este NÃO é um dispositivo médico. Isso é para fins educacionais, usando apenas sinais simulados. Se estiver usando este circuito para medições reais de ECG, certifique-se de que o circuito e as conexões do circuito ao instrumento estejam utilizando técnicas de isolamento adequadas

Este instrutível é uma forma guiada de simular, construir e testar um circuito que recebe, filtra e amplifica os sinais de ECG. Você precisará de conhecimentos básicos de circuitos e de poucos instrumentos para implementar a totalidade deste instrutível.

Eletrocardiografia (ECG ou EKG) é um teste indolor e não invasivo que registra a atividade elétrica do coração e é usado para obter informações sobre o estado do coração do paciente. Para simular com sucesso uma leitura de ECG, os sinais cardíacos de entrada precisam ser amplificados (amplificador de instrumentação) e filtrados (filtros de entalhe e passa baixa). Esses componentes foram criados fisicamente e em um simulador de circuito. Para garantir que cada componente esteja amplificando ou filtrando o sinal corretamente, uma varredura AC pode ser realizada usando PSpice e experimentalmente. Depois de testar com sucesso cada componente individualmente, um sinal cardíaco pode ser inserido por meio de um circuito completo que consiste no amplificador de instrumentação, filtro de entalhe e filtro de passagem baixa. Depois, um sinal de ECG humano pode ser inserido através do ECG e do LabVIEW. Tanto a forma de onda simulada quanto o sinal cardíaco humano podem ser executados no LabVIEW para contar os batimentos por minuto (BPM) do sinal de entrada. No geral, um sinal cardíaco de entrada e um sinal humano devem ser amplificados e filtrados com sucesso, simulando um ECG usando habilidades de circuito para projetar, modificar e testar um amplificador de instrumentação, filtro de entalhe e circuito de filtro de passagem baixa.

Etapa 1: Simular Circuito no Computador

Você pode usar qualquer software disponível para simular o circuito que iremos criar. Eu usei o PSpice, então é para isso que explicarei os detalhes, mas os valores dos componentes (resistores, capacitores, etc.) e as principais opções são todos iguais, sinta-se à vontade para usar outra coisa (como circuitlab.com).

Calcule os valores dos componentes:

1. O primeiro é determinar os valores para o amplificador de instrumentação (veja a imagem). Os valores na imagem foram determinados tendo um ganho desejado de 1000. O que significa que qualquer que seja a tensão de entrada que você fornecer a esta parte do circuito, ela será 'amplificada' pelo valor de ganho. Por exemplo, se você fornecer 1V como eu fiz, a saída deve ser 1000V. Existem duas partes para este amplificador de instrumentação, portanto, o ganho é dividido entre elas, indicado como K1 e K2. Veja a imagem incluída, queremos que os ganhos sejam próximos (é por isso que a equação 2 na imagem), as equações 2 e 3 na imagem são encontradas com a análise nodal, e então os valores do resistor podem ser calculados (veja a imagem).
2. Os valores do resistor para o filtro de entalhe foram determinados configurando o fator de qualidade, Q, para 8 e, devido ao fato de sabermos que tínhamos muitos capacitores de 0,022uF disponíveis, avançamos nos cálculos usando essas duas condições. Veja a imagem com as equações 5 - 10 para calcular os valores. Ou use R1 = 753,575Ω, R2 = 192195Ω, R3 = 750,643Ω, que foi o que fizemos!
3. O filtro passa-baixo serve para remover o ruído acima de uma certa frequência que descobrimos online que para o ECG é bom usar uma frequência de corte fo, de 250 Hz. A partir desta frequência e das equações 11-15 (verifique a imagem), calcule os valores do resistor para o seu filtro passa-baixo. Trate R3 como um circuito aberto e R4 como um curto-circuito para obter um ganho de K = 1. Calculamos R1 = 15, 300 ohms, R2 = 25, 600 ohms, C1 = 0,022 uF, C2 = 0,047 uF.

Abrir e construir no PSpice:

Com todos esses valores, Iniciar PSpice - Abrir 'OrCAD Capture CIS', se uma janela pop-up para Cadence Project Choices abrir, selecione 'Allegro PCB Design CIS L', abra o arquivo -> novo projeto, digite um nome inteligente para ele, selecione criar projeto usando A / D analógico ou misto, selecione 'criar um projeto em branco', veja a imagem para a organização do arquivo de seu projeto, dentro de cada página é onde você compilará os componentes (resistores, capacitores, etc.) para construir a parte de seu circuito que você deseja. Em cada página, você clica em uma parte da barra de ferramentas no topo e clica em uma parte para abrir uma lista de partes que é onde você procura resistores, capacitores, amplificadores operacionais e fontes de alimentação. Também no menu suspenso Local, você encontrará o aterramento e o fio que precisará usar. Agora projete cada uma de suas páginas como visto nas imagens incluídas usando os valores que você calculou.

Execute AC Sweeps para garantir que a filtragem e a amplificação estejam realmente acontecendo como você espera

Eu adicionei duas figuras para a simulação destes. Observe o entalhe em 60 Hz e a filtragem das altas frequências. Observe as cores das linhas e as expressões de rastreamento rotuladas. Também executei todo o circuito junto, então você deve ter uma ideia do que deve estar esperando!

Para as varreduras, selecione PSpice, clique em PSpice, Novo perfil de simulação, mude para Varredura AC e defina as frequências desejadas para iniciar, parar e o valor de incremento. No menu PSpice, também selecionei marcadores, avançado e peguei a voltagem dB e coloquei o marcador onde queria medir a saída. Isso ajuda mais tarde, para que você não precise adicionar manualmente uma alteração de traço. Em seguida, vá para o botão de menu PSpice novamente e selecione Executar ou apenas pressione F11. Quando o simulador abrir, se necessário: clique em trace, adicione trace e, em seguida, selecione a expressão de traço apropriada, como V (U6: OUT) se quiser medir a saída de tensão no pino OUT do opamp U6.

Amplificador de instrumentação: Use o uA741 para todos os três amplificadores e observe que os amplificadores nas imagens são referenciados de acordo com seus respectivos rótulos (U4, U5, U6). Execute sua varredura CA no PSpice para calcular a resposta de frequência do circuito com uma entrada de tensão de forma que a saída de tensão seja igual ao ganho (1000) neste caso.

Filtro Notch: Use uma fonte de alimentação CA de uma voltagem conforme mostrado na imagem e o amplificador operacional uA741 e certifique-se de alimentar cada amplificador operacional que você usar (alimentado com 15 V CC). Execute a varredura CA, eu recomendo 30 a 100 Hz por incrementos de 10 Hz para garantir o entalhe em 60 Hz que filtraria os sinais elétricos.

Filtro passa-baixas: Use o amplificador operacional uA741 (veja a figura, pois o nosso foi denominado U1) e forneça ao circuito uma alimentação CA de um volt. Alimente os amplificadores operacionais com um DC 15 volts e meça a saída para a varredura AC no pino 6 de U1, que se conecta com o fio visto na imagem. A varredura CA é usada para calcular a resposta de frequência do circuito e com uma entrada de tensão que você definir, a saída de tensão deve ser igual ao ganho-1.

Etapa 2: construir o circuito físico em uma placa de ensaio

Isso pode ser desafiador, mas tenho plena fé em você! Use os valores e esquemas que você criou e testou (com sorte, você sabe que funcionam graças ao simulador de circuito) para construir isso em uma placa de ensaio. Certifique-se de aplicar energia apenas (1 Vp-p por um gerador de função) ao início, não em todos os estágios, se testar o circuito inteiro, para testar o circuito inteiro conecte cada parte (amplificador de instrumentação para filtro de entalhe para passagem baixa), certifique-se de forneça V + e V- (15 V) a cada amplificador operacional e você pode testar estágios individuais medindo a saída em frequências variadas com o osciloscópio para ter certeza de que coisas como a filtragem estão funcionando. Você pode usar a forma de onda cardíaca integrada no gerador de função ao testar todo o circuito junto e, então, ver a forma de onda QRS conforme o esperado. Com um pouco de frustração e persistência, você será capaz de construir isso fisicamente!

Nós também adicionamos um capacitor de banda de 0,1uF em paralelo às potências do amplificador operacional não ilustradas no PSpice.

Aqui estão algumas dicas ao construir os componentes individuais:

Para o amplificador de instrumentação, se você estiver tendo dificuldade em localizar a fonte do erro, verifique cada saída individual dos três amplificadores operacionais. Além disso, certifique-se de estar fornecendo a fonte de alimentação e a entrada correta. A fonte de alimentação deve ser conectada aos pinos 4 e 7, e a entrada e saída de tensão aos pinos 3 dos amplificadores operacionais do primeiro estágio.

Para o filtro notch, alguns ajustes nos valores do resistor tiveram que ser feitos para que o filtro filtrasse a uma frequência de 60 Hz. Se a filtragem ocorrer acima de 60 Hz, aumentar um dos resistores (ajustamos 2) ajudará a diminuir a frequência do filtro (oposto ao aumento).

Para o filtro passa-baixa, garantir valores de resistor simples (resistores que você já possui) diminuirá o erro significativamente!

Etapa 3: LabVIEW para traçar a forma de onda de ECG e calcular a frequência cardíaca (batimentos por minuto)

No LabVIEW, você criará um diagrama de blocos e uma interface de usuário que é a parte que exibirá a forma de onda de ECG em um gráfico como uma função de tempo e exibirá um número de frequência cardíaca digital. Anexei uma imagem do que construir no labVIEW, você pode usar a barra de pesquisa para encontrar os componentes necessários. Seja paciente com isso e você também pode usar a ajuda para ler sobre cada peça.

Certifique-se de usar o DAQ físico para conectar seu circuito ao computador. No assistente DAQ, mude sua amostragem para contínua e 4k.

Aqui estão alguns conselhos sobre a construção do diagrama:

• A conexão do DAQ Assistant está saindo de "dados" e "pare".
• DAQ Assistant para “entrar na forma de onda” no mín. Máx.
• Clique com o botão direito, crie e escolha constante para o número visto na imagem.
• Clique com o botão direito, selecione o item, dt, isso é para alterar t0 para dt
• A detecção de pico tem conexões em "entrada de sinal", "limite" e "largura"
• Conecte-se a "array" e as constantes a "index"
• Certifique-se de que o pino físico da placa DAQ (ou seja, 8 analógico) é o pino que você selecionou no DAQ Assistant (veja a imagem)

O vídeo incluído 'IMG_9875.mov' é de um computador mostrando a interface do usuário VI do LabVIEW exibindo a mudança da forma de onda de ECG e batimentos por minuto com base na entrada (ouça enquanto é anunciado para qual frequência é alterada).

Teste seu projeto enviando uma entrada de frequência de 1 Hz e tenha uma forma de onda limpa (veja a imagem para comparar), mas você deve ser capaz de ler 60 batimentos por minuto!

O que você fez também pode ser usado para ler um sinal de ECG humano apenas por diversão, pois este NÃO é um dispositivo médico. Você ainda tem que ter cuidado com a corrente fornecida ao projeto. Eletrodos de superfície fixados: positivo no tornozelo esquerdo, negativo no pulso direito e aterrado no tornozelo direito. Execute seu labVIEW e você deverá ver a forma de onda aparecer no gráfico e as batidas por minuto também aparecerem na caixa do display digital.