Circuit ECG (PSpice, LabVIEW, Breadboard) : 3 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

Remarque: Il ne s'agit PAS d'un dispositif médical. Ceci est à des fins éducatives uniquement en utilisant des signaux simulés. Si vous utilisez ce circuit pour des mesures ECG réelles, assurez-vous que le circuit et les connexions circuit-instrument utilisent des techniques d'isolation appropriées

Cette instructable est un moyen guidé pour simuler, construire et tester un circuit qui prend, filtre et amplifie les signaux ECG. Vous aurez besoin de connaissances de base sur les circuits et quelques instruments pour mettre en œuvre l'intégralité de cette instructable.

L'électrocardiographie (ECG ou ECG) est un test indolore et non invasif qui enregistre l'activité électrique du cœur et est utilisé pour mieux comprendre l'état du cœur du patient. Pour simuler avec succès une lecture ECG, les signaux cardiaques d'entrée doivent être amplifiés (amplificateur d'instrumentation) et filtrés (filtres coupe-bande et passe-bas). Ces composants ont été créés physiquement et sur un simulateur de circuit. Pour s'assurer que chaque composant amplifie ou filtre correctement le signal, un balayage CA peut être effectué à l'aide de PSpice et expérimentalement. Après avoir testé avec succès chaque composant individuellement, un signal cardiaque peut être entré via un circuit complet comprenant l'amplificateur d'instrumentation, le filtre coupe-bande et le filtre passe-bas. Ensuite, un signal ECG humain peut être entré via l'ECG et LabVIEW. La forme d'onde simulée et le signal cardiaque humain peuvent être exécutés via LabVIEW afin de compter les battements par minute (BPM) du signal d'entrée. Dans l'ensemble, un signal cardiaque d'entrée et un signal humain devraient pouvoir être amplifiés et filtrés avec succès, simulant un ECG en utilisant des compétences de circuit pour concevoir, modifier et tester un amplificateur d'instrumentation, un filtre coupe-bande et un circuit de filtre passe-bas.

Étape 1: simuler un circuit sur ordinateur

Vous pouvez utiliser n'importe quel logiciel dont vous disposez pour simuler le circuit que nous allons créer. J'ai utilisé PSpice, c'est pourquoi je vais expliquer les détails, mais les valeurs des composants (résistances, condensateurs, etc.) et les principaux points à retenir sont tous les mêmes, alors n'hésitez pas à utiliser autre chose (comme circuitlab.com).

Calculer les valeurs des composants:

1. La première consiste à déterminer les valeurs de l'amplificateur d'instrumentation (voir photo). Les valeurs de l'image ont été déterminées en ayant un gain souhaité de 1000. Ce qui signifie que quelle que soit la tension d'entrée que vous fournissez, cette partie du circuit "amplifiera" cela par la valeur de gain. Par exemple, si vous fournissez 1V comme je l'ai fait, la sortie devrait être de 1000V. Il y a deux parties dans cet amplificateur d'instrumentation, donc le gain est réparti entre elles notées K1 et K2. Voir l'image incluse, nous voulons que les gains soient proches (c'est pourquoi l'équation 2 dans l'image), les équations 2 et 3 dans l'image sont trouvées avec une analyse nodale, puis les valeurs de résistance peuvent être calculées (voir l'image).
2. Les valeurs de résistance pour le filtre coupe-bande ont été déterminées en réglant le facteur de qualité, Q, sur 8 et du fait que nous savions que nous avions beaucoup de condensateurs de 0,022 uF disponibles, nous avons ensuite avancé dans les calculs en utilisant ces deux conditions. Voir l'image avec les équations 5 à 10 pour calculer les valeurs. Ou utilisez R1 = 753,575Ω, R2 = 192195Ω, R3= 750,643Ω, ce que nous avons fait !
3. Le filtre passe-bas consiste à supprimer le bruit au-dessus d'une certaine fréquence que nous avons trouvée en ligne pour l'ECG, il est bon d'utiliser une fréquence de coupure fo, de 250 Hz. À partir de cette fréquence et des équations 11-15 (vérifiez l'image), calculez les valeurs de résistance pour votre filtre passe-bas. Traitez R3 comme un circuit ouvert et R4 comme un court-circuit afin d'obtenir un gain de K = 1. Nous avons calculé R1 = 15, 300 ohms, R2 = 25, 600 ohms, C1 = 0,022 uF, C2 = 0,047 uF.

Ouvrir et construire sur PSpice:

Avec toutes ces valeurs, démarrez PSpice - Ouvrez 'OrCAD Capture CIS', si une fenêtre contextuelle pour Cadence Project Choices s'ouvre, sélectionnez 'Allegro PCB Design CIS L', ouvrez le fichier -> nouveau projet, tapez un nom intelligent pour cela, sélectionnez créer un projet en utilisant A/N analogique ou mixte, sélectionnez "créer un projet vierge", voir l'image pour l'organisation des fichiers de votre projet, dans chaque page est l'endroit où vous compilerez les composants (résistances, condensateurs, etc.) pour construire la partie de votre circuit que vous voulez. Sur chaque page, vous cliquerez sur une pièce dans la barre d'outils en haut, puis sur une pièce pour ouvrir une liste de pièces où vous rechercherez des résistances, des condensateurs, des amplificateurs opérationnels et des sources d'alimentation. Également dans la liste déroulante Place, vous trouverez la terre et le fil que vous devrez utiliser. Concevez maintenant chacune de vos pages comme on le voit dans les images incluses en utilisant les valeurs que vous avez calculées.

Exécutez AC Sweeps pour vous assurer que le filtrage et l'amplification se déroulent comme prévu

J'ai ajouté deux chiffres pour la simulation de ceux-ci. Remarquez le crantage à 60 Hz et le filtrage des hautes fréquences. Notez les couleurs des lignes et les expressions de trace étiquetées, j'ai également parcouru l'ensemble du circuit afin que vous puissiez vous faire une idée de ce à quoi vous devez vous attendre !

Pour les balayages, sélectionnez PSpice, cliquez sur PSpice, Nouveau profil de simulation, passez à AC Sweep et définissez les fréquences souhaitées pour le démarrage, l'arrêt et la valeur d'incrément. Dans le menu PSpice, j'ai également sélectionné des marqueurs, avancés et pris la tension dB et mis le marqueur à l'endroit où je voulais mesurer la sortie, cela aide plus tard afin que vous n'ayez pas à ajouter manuellement une modification de trace. Ensuite, allez à nouveau sur le bouton de menu PSpice et sélectionnez Exécuter ou appuyez simplement sur F11. Lorsque le simulateur s'ouvre, si nécessaire: cliquez sur trace, ajoutez une trace, puis sélectionnez l'expression de trace appropriée telle que V(U6:OUT) si vous souhaitez mesurer la tension de sortie à la broche OUT de l'ampli-op U6.

Amplificateur d'instrumentation: utilisez l'uA741 pour les trois amplificateurs et notez que les amplificateurs sur les images sont référencés en fonction de leur étiquette respective (U4, U5, U6). Exécutez votre balayage CA sur PSpice pour calculer la réponse en fréquence du circuit avec une entrée de tension de sorte que la tension de sortie soit égale au gain (1000) dans ce cas.

Filtre coupe-bande: utilisez une source d'alimentation CA à une tension comme indiqué sur l'image et l'amplificateur opérationnel uA741 et assurez-vous d'alimenter chaque amplificateur opérationnel que vous utilisez (alimenté en 15 V CC). Exécutez le balayage CA, je recommande des incréments de 30 à 100 Hz par 10 Hz pour assurer l'encoche à 60 Hz qui filtrerait les signaux électriques.

Filtre passe-bas: utilisez l'amplificateur opérationnel uA741 (voir la figure car le nôtre était étiqueté U1) et alimentez le circuit en courant alternatif d'un volt. Alimentez les amplis op avec un courant continu de 15 volts et mesurez la sortie du balayage alternatif à la broche 6 de U1 qui se connecte au fil vu sur l'image. Le balayage CA est utilisé pour calculer la réponse en fréquence du circuit et avec l'entrée de tension que vous avez définie, la sortie de tension doit être égale au gain-1.

Étape 2: Construisez le circuit physique sur une planche à pain

Cela peut être difficile, mais j'ai pleinement confiance en vous! Utilisez les valeurs et les schémas que vous avez créés et testés (vous savez, espérons-le, qu'ils fonctionnent grâce au simulateur de circuit) pour construire cela sur une maquette. Assurez-vous d'appliquer uniquement l'alimentation (1 Vp-p par un générateur de fonctions) au début et non à chaque étape si vous testez l'ensemble du circuit, pour tester l'ensemble du circuit, connectez chaque partie (amplificateur d'instrumentation au filtre coupe-bas au passe-bas), assurez-vous de fournissez V+ et V- (15V) à chaque ampli op, et vous pouvez tester des étapes individuelles en mesurant la sortie à différentes fréquences avec l'oscilloscope pour vous assurer que des éléments comme le filtrage fonctionnent. Vous pouvez utiliser la forme d'onde cardiaque intégrée sur le générateur de fonctions lorsque vous testez l'ensemble du circuit ensemble et vous verrez alors la forme d'onde QRS comme prévu. Avec un peu de frustration et de persévérance, vous devriez être capable de le construire physiquement !

Nous avons également ajouté un condensateur de bande de 0,1 uF en parallèle aux puissances de l'ampli op non illustrées dans PSpice.

Voici quelques conseils lors de la construction des composants individuels:

Pour l'amplificateur d'instrumentation, si vous rencontrez des difficultés pour localiser la source de l'erreur, vérifiez chaque sortie individuelle des trois amplificateurs opérationnels. De plus, assurez-vous que vous alimentez correctement la source d'alimentation et l'entrée. La source d'alimentation doit être connectée aux broches 4 et 7, et l'entrée et la sortie de tension aux broches 3 des amplificateurs opérationnels du premier étage.

Pour le filtre coupe-bande, certains ajustements des valeurs de résistance ont dû être effectués afin que le filtre filtre à une fréquence de 60 Hz. Si le filtrage se produit au-dessus de 60 Hz, augmenter l'une des résistances (nous avons ajusté 2) aidera à faire baisser la fréquence du filtre (inverse pour augmenter).

Pour le filtre passe-bas, garantir des valeurs de résistance simples (résistances que vous possédez déjà) réduira considérablement l'erreur !

Étape 3: LabVIEW pour tracer la forme d'onde ECG et calculer la fréquence cardiaque (battements par minute)

Sur LabVIEW, vous allez créer un diagramme et une interface utilisateur qui est la partie qui affichera la forme d'onde ECG sur un graphique en fonction du temps et affichera un nombre numérique de fréquence cardiaque. J'ai joint une image de ce qu'il faut construire sur labVIEW, vous pouvez utiliser la barre de recherche pour trouver les composants nécessaires. Soyez patient avec cela et vous pouvez également utiliser l'aide pour lire sur chaque pièce.

Assurez-vous d'utiliser le DAQ physique pour connecter votre circuit à l'ordinateur. Sur l'assistant DAQ, changez votre échantillonnage en continu et 4k.

Voici quelques conseils pour construire le diagramme:

• La connexion de l'Assistant DAQ sort de « données » et « arrêt ».
• Assistant DAQ pour « entrée de forme d'onde » sur le min max.
• Faites un clic droit, créez et choisissez constante pour le nombre vu dans l'image.
• Faites un clic droit, sélectionnez l'élément, dt, c'est pour changer t0 en dt
• La détection de crête a des connexions à "signal in", "threshold" et "width"
• Connectez-vous à "array" et les constantes à "index"
• Assurez-vous que la broche physique de la carte DAQ (c'est-à-dire analogique 8) est la broche que vous sélectionnez dans l'assistant DAQ (voir l'image)

La vidéo incluse "IMG_9875.mov" montre un ordinateur montrant l'interface utilisateur VI de LabVIEW affichant la forme d'onde ECG changeante et les battements par minute en fonction de l'entrée (écoutez pendant qu'il est annoncé à quoi la fréquence est modifiée).

Testez votre conception en envoyant une entrée de fréquence de 1 Hz et elle aura une forme d'onde propre (voir l'image pour comparer) mais vous devriez être capable de lire 60 battements par minute !

Ce que vous avez fait peut également être utilisé pour lire un signal ECG humain juste pour le plaisir car il ne s'agit PAS d'un appareil médical. Il faut quand même être prudent avec le courant fourni à la conception. Électrodes de surface attachées: positives à la cheville gauche, négatives au poignet droit et reliées à la terre à la cheville droite. Exécutez votre labVIEW et vous devriez voir la forme d'onde apparaître sur le graphique et les battements par minute apparaissent également dans la boîte d'affichage numérique.