Virtualno korisničko sučelje za EKG i puls: 9 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

Za ovu instrukciju pokazat ćemo vam kako izgraditi krug za primanje otkucaja srca i prikazati ga na virtualnom korisničkom sučelju (VUI) s grafičkim prikazom vašeg otkucaja srca i vašeg otkucaja srca. To zahtijeva relativno jednostavnu kombinaciju komponenata kola i softvera LabView za analizu i izlaz podataka. Ovo nije medicinski uređaj. Ovo je samo u obrazovne svrhe korištenjem simuliranih signala. Ako koristite ovaj krug za stvarna mjerenja EKG-a, provjerite koriste li se strujni krug i veze kola s instrumentom odgovarajuće tehnike izolacije.

Materijali

Krug:

• Oglasna ploča:
• Otpornici:
• Kondenzatori:
• Op pojačala:
• Žice strujnog kruga (uključene u vezu na Breadboard)
• Aligator clips
• Akordi za banane
• Agilent E3631A DC napajanje
• Generator funkcija
• Osciloskop

LabView:

• LabView softver
• DAQ ploča
• Žice kola
• Izolovani analogni ulaz
• Generator funkcija

Korak 1: Odredite koje ćete filtere i pojačala koristiti

Kako bi se prikazao EKG signal, dizajnirane su i implementirane tri različite faze kola: instrumentacijsko pojačalo, urezani filter i niskopropusni filter. Instrumentacijsko pojačalo pojačava signal jer je kad je primljen od subjekta često vrlo mali te ga je teško vidjeti i analizirati. Urezani filter se koristi za uklanjanje šuma na 60Hz jer EKG signal ne sadrži signale na 60Hz. Konačno, niskopropusni filter uklanja veće frekvencije kako bi uklonio šum iz signala, a u kombinaciji sa urezanim filterom dopušta samo frekvencije koje su predstavljene u EKG signalu.

Korak 2: Napravite instrumentacijsko pojačalo i testirajte ga

Pojačalo mora imati pojačanje od 1000 V/V, a kao što se može vidjeti, pojačalo se sastoji od dvije faze. Stoga se pojačanje mora ravnomjerno raspodijeliti između dvije faze, pri čemu je K1 dobitak prve faze, a K2 dobitak druge faze. Utvrdili smo da je K1 40, a K2 25. To su prihvatljive vrijednosti zbog činjenice da kada se pomnože zajedno dobije se dobitak od 1000 V/V, 40 x 25 = 1000, i uporedne su vrijednosti, sa varijacija 15 V/V. Koristeći ove vrijednosti za pojačanje, tada se mogu izračunati odgovarajući otpori. Za izračune se koriste sljedeće jednadžbe:

1. stupanj pojačanja: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

2. stupanj pojačanja: K2 = -R4R3 (2)

Proizvoljno smo odabrali vrijednost R1, u ovom slučaju ona je bila 1 kΩ, a zatim smo naknadno riješili vrijednost R2. Uključivanjem prethodnih vrijednosti u jednadžbu za dobitak prve faze, dobivamo:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Važno je osigurati da pri odabiru otpora oni budu u kOhm rasponu zbog općeg pravila da što je otpornik veći, to se veća snaga može sigurno raspršiti bez oštećenja. Ako je otpor premalen i prevelika je struja, doći će do oštećenja otpornika, a sam krug neće moći funkcionirati. Slijedeći isti protokol za fazu 2, proizvoljno smo odabrali vrijednost R3, 1 kΩ, a zatim riješili za R4. Uključivanjem prethodnih vrijednosti u jednadžbu za dobitak stupnja 2, dobivamo: 25 = -R4*1000 ⇒R4 = 25000 Ω

Negativni predznak se negira jer otpori ne mogu biti negativni. Kada dobijete ove vrijednosti, napravite sljedeći krug na slici. Onda isprobajte!

Agilent E3631A istosmjerno napajanje napaja operativna pojačala s izlazom od +15 V i -15 V koje idu na pinove 4 i 7. Postavite funkcijski generator da emitira srčani val s frekvencijom od 1 kHz, Vpp od 12,7 mV, i pomak od 0 V. Ovaj ulaz bi trebao biti na pinu 3 operativnih pojačala u prvoj fazi kola. Izlaz pojačala, koji dolazi sa pina 6 operativnog pojačala drugog stepena, prikazuje se na kanalu 1 osciloskopa i mjeri se i bilježi napon od vrha do vrha. Kako bi se osiguralo da instrumentacijsko pojačalo ima pojačanje od najmanje 1000 V/V, napon od vrha do vrha trebao bi biti najmanje 12,7 V.

Korak 3: Napravite Notch filter i testirajte ga

Urezani filter je potreban za uklanjanje šuma od 60 Hz iz biosignala. Osim ovog zahtjeva, budući da ovaj filter ne mora uključivati daljnje pojačavanje, faktor kvalitete je postavljen na 1. Kao i kod instrumentalnog pojačala, prvo smo odredili vrijednosti za R1, R2, R3 i C koristeći sljedeći dizajn jednadžbe za urezani filter: R1 = 1/(2Q⍵0C)

R2 = 2Q/(⍵0C)

R3 = R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β = ⍵c2 -⍵c1

Gdje je Q = faktor kvalitete

⍵0 = 2πf0 = središnja frekvencija u rad/sek

f0 = središnja frekvencija u Hz

β = širina pojasa u rad/sek

⍵c1, ⍵c2 = granične frekvencije (rad/sek)

Proizvoljno smo odabrali vrijednost C, u ovom slučaju ona je bila 0,15 µF, a zatim naknadno riješili vrijednost R1. Uključivanjem prethodno navedenih vrijednosti faktora kvalitete, središnje frekvencije i kapaciteta dobivamo:

R1 = 1/(2 (1) (2π60) (0,15x10-6)) = 1105,25 Ω

Kao što je gore spomenuto prilikom rasprave o dizajnu instrumentacijskog pojačala, i dalje je važno osigurati da pri rješavanju otpora oni budu u kOhm rasponu kako ne bi došlo do oštećenja kola. Ako je pri rješavanju otpora jedan premali, treba promijeniti vrijednost, poput kapaciteta, kako bi se osiguralo da se to ne dogodi. Slično rješavanju jednadžbe za R1, R2 i R3 može se riješiti:

R2 = 2 (1)/[(2π60) (0,15x10-6)] = 289,9 kΩ

R3 = (1105.25) (289.9x103)/[(1105.25) + (289.9x103)] = 1095.84 Ω

Dodatno, riješite širinu pojasa kako biste je kasnije dobili kao teoretsku vrijednost za usporedbu s eksperimentalnom vrijednošću:

1 = (2π60)/β⇒β = 47,12 rad/sek

Kad saznate vrijednosti otpora, napravite krug na ploči.

U ovom trenutku treba testirati samo ovu fazu kruga, pa se ne smije spojiti na instrumentacijsko pojačalo. Agilent E3631A DC napajanje koristi se za napajanje operacijskog pojačala s izlazom od +15 V i -15 V koje ide na pinove 4 i 7. Funkcijski generator je postavljen za izlaz sinusoidnog valnog oblika s početnom frekvencijom od 10 Hz, a Vpp od 1 V i pomak od 0 V. Pozitivni ulaz treba spojiti na R1, a negativni ulaz na masu. Ulaz također treba spojiti na kanal 1 osciloskopa. Izlaz urezanog filtera, koji dolazi sa pina 6 operativnog pojačala, prikazan je na kanalu 2 osciloskopa. AC zamah se mjeri i bilježi promjenom frekvencije od 10 Hz do 100 Hz. Frekvencija se može povećavati za 10 Hz do frekvencije od 50. Zatim se za 2 Hz koriste koraci do 59 Hz. Kada se dostigne 59 Hz, potrebno je poduzeti korake od 0,1 Hz. Zatim, nakon dostizanja 60 Hz, koraci se mogu još jednom povećati. Treba zabilježiti omjer Vout/Vin i fazni kut. Ako omjer Vout/Vin nije manji ili jednak -20 dB na 60 Hz, vrijednosti otpora je potrebno promijeniti kako bi se osigurao ovaj omjer. Zatim se iz ovih podataka konstruira grafikon frekvencijskog odziva i fazni odziv. Frekvencijski odziv bi trebao izgledati tako na grafikonu, koji dokazuje da su frekvencije oko 60Hz uklonjene, što želite!

Korak 4: Izgradite niskopropusni filter i testirajte ga

Granična frekvencija niskopropusnog filtera je 150 Hz. Ova je vrijednost odabrana jer želite zadržati sve frekvencije prisutne na EKG -u dok uklanjate višak šuma, posebno na višim frekvencijama. Učestalost T vala nalazi se u rasponu od 0-10 Hz, P val u rasponu od 5-30 Hz, a QRS kompleks u rasponu 8-50 Hz. Međutim, abnormalnu ventrikularnu provodljivost karakteriziraju veće frekvencije, tipično iznad 70 Hz. Stoga je 150 Hz odabrano kao granična frekvencija kako bi se osiguralo da možemo uhvatiti sve frekvencije, čak i više frekvencije, istovremeno prekidajući šum visoke frekvencije. Uz graničnu frekvenciju od 150 Hz, faktor kvalitete, K, postavljen je na 1 jer nije potrebno dodatno pojačavanje. Prvo smo odredili vrijednosti za R1, R2, R3, R4, C1 i C2 koristeći sljedeće projektne jednadžbe za niskopropusni filter:

R1 = 2/[⍵c [aC2 + sqrt ([a^2 + 4b (K -1)] C2^2 - 4bC1C2)]

R2 = 1/[bC1C2R1⍵c^2]

R3 = K (R1+ R2)/(K -1) kada je K> 1

R4 = K (R1+R2)

C2 oko 10/fc uF

C1 <C2 [a2 + 4b (K -1)] 4b

Gdje je K = dobitak

⍵c = granična frekvencija (rad/sek)

fc = granična frekvencija (Hz)

a = koeficijent filtera = 1.414214

b = koeficijent filtera = 1

Budući da je dobitak 1, R3 se zamjenjuje otvorenim krugom, a R4 kratkim spojem što ga čini sljedbenikom napona. Stoga se te vrijednosti ne moraju rješavati. Prvo smo riješili vrijednost C2. Uključivanjem prethodnih vrijednosti u tu jednadžbu dobivamo:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Tada se C1 može riješiti korištenjem vrijednosti C2.

C1 <(0,047x10^-6) [1,414214^2 + 4 (1) (1 -1)]/4 (1)

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

Nakon što se riješe vrijednosti kapacitivnosti za, R1 i R2 mogu se izračunati na sljedeći način:

R1 = 2 (2π150) [(1.414214) (0.047x10-6) + ([1.4142142 + 4 (1) (1 -1)] 0.047x10-6) 2-4 (1) (0.022x10-6) (0.047 x10-6))] R1 = 25486,92 Ω

R2 = 1 (1) (0,022x10-6) (0,047x10-6) (25486,92) (2π150) 2 = 42718,89 Ω

Sa pravim otporima izgradite kolo koje se vidi na dijagramu kola.

Ovo je posljednja faza cjelokupnog dizajna i trebala bi biti izgrađena na matičnoj ploči neposredno lijevo od ureznog filtera s izlazom urezanog filtera i ulaznim naponom za niskopropusni filter. Ovo kolo će biti izgrađeno koristeći istu matičnu ploču kao i ranije, s ispravno izračunatim otporima i kapacitivnostima i jednim operativnim pojačalom. Nakon što se kolo izgradi pomoću sheme kola na slici 3, testira se. U ovom trenutku treba testirati samo ovu fazu, pa se ne smije priključiti ni na instrumentacijsko pojačalo ni na urezni filter. Stoga se Agilent E3631A DC napajanje koristi za napajanje operacijskog pojačala s izlazom od +15 i -15 V koji ide na pinove 4 i 7. Funkcijski generator je postavljen za izlaz sinusoidnog valnog oblika s početnom frekvencijom od 10 Hz, a Vpp od 1 V i pomak od 0 V. Pozitivni ulaz treba spojiti na R1, a negativni ulaz na masu. Ulaz također treba spojiti na kanal 1 osciloskopa. Izlaz urezanog filtera, koji dolazi sa pina 6 operativnog pojačala, prikazan je na kanalu 2 osciloskopa. AC zamah se mjeri i bilježi promjenom frekvencije od 10 Hz do 300 Hz. Učestalost se može povećavati za 10 Hz dok ne dosegne graničnu frekvenciju od 150 Hz. Zatim bi frekvenciju trebalo povećati za 5 Hz dok ne dosegne 250 Hz. Veći koraci od 10 Hz mogu se koristiti za završetak brisanja. Snimaju se omjer Vout/Vin i fazni kut. Ako granična frekvencija nije 150 Hz, tada se vrijednosti otpora moraju promijeniti kako bi se osiguralo da je ta vrijednost zapravo granična frekvencija. Grafikon frekvencijskog odziva trebao bi izgledati poput slike na kojoj možete vidjeti da je granična frekvencija oko 150Hz.

Korak 5: Kombinirajte sve 3 komponente i simulirajte elektrokardiogram (EKG)

Spojite sve tri faze dodavanjem žice između posljednje komponente kola prethodne komponente na početak sljedeće komponente. Cijeli krug se vidi na dijagramu.

Pomoću generatora funkcija simulirajte drugi EKG signal pomoću Ako su komponente uspješno izgrađene i spojene, vaš izlaz na osciloskopu trebao bi izgledati ovako na slici.

Korak 6: Postavite DAQ ploču

Iznad DAQ ploče se može vidjeti. Priključite ga na stražnju stranu računara da biste ga uključili i postavite izolirani analogni ulaz u kanal 8 ploče (ACH 0/8). Umetnite dvije žice u rupe s oznakama '1' i '2' izoliranog analognog ulaza. Podesite generator funkcija za izlaz EKG signala od 1Hz sa Vpp od 500mV i pomakom od 0V. Spojite izlaz generatora funkcija na žice smještene u izolirani analogni ulaz.

Korak 7: Otvorite LabView, kreirajte novi projekt i postavite DAQ pomoćnika

Otvorite softver LabView i kreirajte novi projekt te otvorite novi VI u padajućem izborniku datoteka. Desnim klikom na stranicu otvorite prozor komponente. Potražite 'DAQ Assistant Input' i povucite ga na ekran. Ovo će automatski povući prvi prozor.

Odaberite Acquire Signals> Analog Input> Voltage. Ovo će povući drugi prozor.

Odaberite ai8 jer ste svoj izolirani analogni ulaz stavili u kanal 8. Odaberite Završi da biste podigli zadnji prozor.

Promijenite način preuzimanja na kontinuirane uzorke, uzorke na čitanje na 2k i brzinu na 1 kHz. Zatim odaberite Pokreni pri vrhu prozora i trebao bi se prikazati izlaz kao što je gore prikazan. Ako je signal EKG -a invertiran, jednostavno prebacite veze s generatora funkcija na DAQ ploču. Ovo pokazuje da uspješno primate EKG signal! (Da!) Sada ga morate kodirati da biste ga analizirali!

Korak 8: Kodirajte LabView za analizu komponenti EKG signala i izračunavanje otkucaja srca

Koristite simbole na slici u LabView -u

Već ste postavili DAQ pomoćnika. DAQ pomoćnik prima ulazni signal, analogni naponski signal, simuliran funkcijskim generatorom ili primljen direktno od osobe spojene na odgovarajuće postavljene elektrode. Zatim uzima ovaj signal i vodi ga kroz A/D pretvarač s kontinuiranim uzorkovanjem i parametrima od 2000 uzoraka za čitanje, brzinom uzorkovanja od 1 kHz i s maksimalnim i minimalnim vrijednostima napona od 10 V i -10 V, respektivno. Ovaj stečeni signal se zatim emituje na grafikonu tako da se može vizuelno vidjeti. Također uzima ovaj pretvoreni valni oblik i dodaje 5, kako bi se osiguralo da ima negativan pomak, a zatim se množi s 200 kako bi vrhovi bili jasniji, veći i lakši za analizu. Zatim određuje maksimalnu i minimalnu vrijednost valnog oblika unutar zadanog prozora od 2,5 sekunde kroz maks/min operand. Izračunatu maksimalnu vrijednost potrebno je pomnožiti s postotkom koji se može promijeniti, ali je obično 90% (0,9). Ova vrijednost se zatim dodaje minimalnoj vrijednosti i šalje kao prag u operand detekcije vrha. Kao rezultat toga, svaka točka grafikona valnog oblika koja prelazi ovaj prag definira se kao vrh i sprema kao niz vrhova u operatoru detektora vrhova. Ovaj niz vrhova se zatim šalje na dvije različite funkcije. Jedna od ovih funkcija prima i vršni niz i izlaz valnog oblika putem operatora maksimalne vrijednosti. Unutar ove funkcije, dt, ova dva ulaza se pretvaraju u vremensku vrijednost za svaki od vrhova. Druga funkcija sastoji se od dva operatora indeksa koji uzimaju lokacijske izlaze funkcije detekcije vrha i indeksiraju ih zasebno kako bi dobili lokacije 0 -og vrha i 1 -og vrha. Razlika između ove dvije lokacije izračunava minus operator, a zatim se množi s vrijednostima vremena dobivenim iz funkcije dt. Time se ispisuje period ili vrijeme između dva vrha u sekundama. Po definiciji, 60 podijeljeno sa periodom daje BPM. Ova vrijednost se zatim vodi kroz apsolutni operand kako bi se osiguralo da je izlaz uvijek pozitivan, a zatim se zaokružuje na najbliži cijeli broj. Ovo je posljednji korak u izračunavanju i konačno ispisivanju otkucaja srca na isti ekran kao i izlaz valnog oblika. Na kraju, blok dijagram bi trebao izgledati kao prva slika.

Nakon dovršetka blok dijagrama, ako pokrenete program, trebali biste dobiti sliku na slici.

Korak 9: Kombinirajte sklop i komponente LabView i povežite se sa stvarnom osobom

A sada zabavni dio! Kombinujući vaš lijepi krug i program LabView kako biste dobili pravi EKG i izračunali njegov broj otkucaja srca. Da bi se kolo promijenilo u skladu s čovjekom i proizvelo održiv signal, pojačanje instrumentacijskog pojačala mora se smanjiti na dobitak od 100. To je zbog činjenice da kada se spoji na osobu postoji pomak koji zatim zasićuje operativno pojačalo. Smanjivanjem dobitka, ovo će smanjiti ovo pitanje. Prvo se pojačanje prve faze instrumentacijskog pojačala mijenja na dobitak od 4 tako da ukupni dobitak iznosi 100. Zatim se, koristeći jednadžbu 1, R2 postavlja na 19,5 kΩ, a R1 se nalazi na sljedeći način:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 kΩ Zatim se instrumentalno pojačalo mijenja promjenom otpora R1 na 13 kΩ kao što je prikazano u koraku 2 na prethodno izgrađenoj matičnoj ploči. Cijeli krug je spojen i krug se može testirati pomoću LabView -a. Agilent E3631A DC napajanje napaja operativna pojačala s izlazom od +15 V i -15 V koji idu na pinove 4 i 7. EKG elektrode su spojene na subjekt s pozitivnim odvodom (G1) koji ide prema lijevom gležnju, negativni odvod (G2) ide do desnog zgloba, a tlo (COM) ide do desnog skočnog zgloba. Ljudski ulaz trebao bi biti priključak 3 operativnih pojačala u prvoj fazi kola sa pozitivnim kablom spojenim na pin 3 prvog operativnog pojačala, a negativnim kablom spojenim na pin 3 drugog operativnog pojačala. Uzemljenje se povezuje sa masom matične ploče. Izlaz pojačala, koji dolazi sa pina 6 niskopropusnog filtera, spojen je na DAQ ploču. Budite vrlo mirni i tihi i trebali biste dobiti izlaz u LabView -u koji izgleda slično onom na slici.

Ovaj signal je očito daleko bučniji od savršenog signala simuliranog funkcijskim generatorom. Zbog toga će vam broj otkucaja srca jako skočiti, ali bi trebao varirati u rasponu od 60-90 BPM. I evo ga! Zabavan način mjerenja vlastitog pulsa izgradnjom kola i kodiranjem nekog softvera!