EKG in navidezni uporabniški vmesnik srčnega utripa: 9 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:08

Za to navodilo vam bomo pokazali, kako zgraditi vezje za sprejem srčnega utripa in ga prikazati na navideznem uporabniškem vmesniku (VUI) z grafičnim prikazom vašega srčnega utripa in srčnega utripa. To zahteva relativno preprosto kombinacijo komponent vezja in programske opreme LabView za analizo in izpis podatkov. To ni medicinski pripomoček. To je samo v izobraževalne namene z uporabo simuliranih signalov. Če uporabljate to vezje za prave meritve EKG-ja, se prepričajte, da vezje in povezave vezje-instrument uporabljajo ustrezne izolacijske tehnike.

Materiali

Vezje:

• Ogledna plošča:
• Upori:
• Kondenzatorji:
• Op ojačevalniki:
• Žice vezja (vključene v povezavo Breadboard)
• Posnetki iz aligatorja
• Akordi za banane
• Agilent E3631A DC napajalnik
• Generator funkcij
• Osciloskop

LabView:

• Programska oprema LabView
• DAQ plošča
• Žice vezja
• Izolirani analogni vhod
• Generator funkcij

1. korak: Ugotovite, katere filtre in ojačevalnike uporabiti

Za predstavitev EKG signala so bile oblikovane in izvedene tri različne stopnje vezja: instrumentacijski ojačevalnik, zarezni filter in nizkoprepustni filter. Instrumentacijski ojačevalnik ojača signal, saj je ob sprejemu od subjekta pogosto zelo majhen in ga je težko videti in analizirati. Zarezni filter se uporablja za odstranjevanje šumov pri 60 Hz, ker signal EKG ne vsebuje signalov pri 60 Hz. Končno nizkoprepustni filter odstrani višje frekvence, da odstrani šum iz signala, v kombinaciji z zareznim filtrom pa dovoljuje le frekvence, ki so predstavljene v signalu EKG.

Korak: Zgradite instrumentacijski ojačevalnik in ga preizkusite

Ojačevalnik mora imeti ojačanje 1000 V/V in kot je razvidno, je ojačevalnik sestavljen iz dveh stopenj. Zato je treba dobiček enakomerno porazdeliti med dve stopnji, pri čemer je K1 dobiček prve stopnje, K2 pa dobiček druge stopnje. Ugotovili smo, da je K1 40, K2 pa 25. To so sprejemljive vrednosti zaradi dejstva, da ob množenju skupaj dobimo dobiček 1000 V/V, 40 x 25 = 1000 in so primerljive vrednosti, z varianca 15 V/V. Z uporabo teh vrednosti za dobiček lahko nato izračunamo ustrezne upore. Za te izračune se uporabljajo naslednje enačbe:

1. stopnja dobička: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Stopnja 2: K2 = -R4R3 (2)

Samovoljno smo izbrali vrednost R1, v tem primeru je bila to 1 kΩ, nato pa smo jo nato rešili za vrednost R2. Če te prejšnje vrednosti vstavimo v enačbo za dobiček prve stopnje, dobimo:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Pomembno je zagotoviti, da so pri uporih v območju kOhm zaradi splošnega pravila, da je večji kot je upor, večja moč se lahko varno razprši brez poškodb. Če je upor premajhen in je tok prevelik, bo upor poškodovan in tudi vezje ne bo moglo delovati. Po istem protokolu za stopnjo 2 smo poljubno izbrali vrednost R3, 1 kΩ in nato rešili za R4. Če v enačbo za stopnjo 2 priključimo prejšnje vrednosti, dobimo: 25 = -R4*1000 ⇒R4 = 25000 Ω

Negativni znak je zanikan, saj upori ne morejo biti negativni. Ko dobite te vrednosti, sestavite naslednje vezje na sliki. Potem preizkusite!

Napajalnik DC Agilent E3631A napaja operacijske ojačevalnike z izhodom +15 V in -15 V, ki gredo na nožici 4 in 7. Funkcijski generator nastavite tako, da oddaja srčno valovno frekvenco s frekvenco 1 kHz, Vpp 12,7 mV, in odmik 0 V. Ta vhod bi moral biti na pin 3 operacijskih ojačevalnikov v prvi stopnji vezja. Izhod ojačevalnika, ki prihaja iz zatiča 6 operacijskega ojačevalnika druge stopnje, se prikaže na kanalu 1 osciloskopa, napetost pa se izmeri in zabeleži. Za zagotovitev, da ima ojačevalnik instrumentacije ojačanje najmanj 1000 V/V, mora biti napetost od vrha do vrha najmanj 12,7 V.

Korak: Zgradite Notch filter in ga preizkusite

Zarezni filter je potreben za odstranitev 60 Hz hrupa iz biosignala. Poleg te zahteve, ker temu filtru ni treba vključevati dodatnega ojačanja, je faktor kakovosti nastavljen na 1. Tako kot pri instrumentacijskem ojačevalniku smo tudi najprej določili vrednosti za R1, R2, R3 in C z uporabo naslednje zasnove enačbe za zarezni filter: R1 = 1/(2Q⍵0C)

R2 = 2Q/(⍵0C)

R3 = R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β = ⍵c2 -⍵c1

Kjer je Q = faktor kakovosti

⍵0 = 2πf0 = srednja frekvenca v rad/s

f0 = srednja frekvenca v Hz

β = pasovna širina v rad/s

⍵c1, ⍵c2 = mejne frekvence (rad/s)

Samovoljno smo izbrali vrednost C, v tem primeru je bila to 0,15 µF, nato pa smo jo nato rešili za vrednost R1. Če vključimo prejšnje navedene vrednosti faktorja kakovosti, osrednje frekvence in kapacitivnosti, dobimo:

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

Kot je bilo že omenjeno pri razpravi o zasnovi instrumentacijskega ojačevalnika, je še vedno pomembno zagotoviti, da pri odpravljanju uporov, da so v območju kOhm, da vezje ne poškoduje. Če je pri odpravljanju uporov ena premajhna, je treba vrednost, na primer kapacitivnost, spremeniti, da zagotovimo, da do tega ne pride. Podobno kot pri reševanju enačbe za R1, R2 in R3 je mogoče rešiti:

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

R3 = (1105,25) (289,9x103)/[(1105,25) + (289,9x103)] = 1095,84 Ω

Poleg tega rešite pasovno širino, da jo boste kot teoretično vrednost kasneje primerjali z eksperimentalno vrednostjo:

1 = (2π60)/β⇒β = 47,12 rad/s

Ko poznate vrednosti upora, sestavite vezje na plošči.

Na tej točki je treba preskusiti le to stopnjo vezja, zato je ne smete priključiti na instrumentacijski ojačevalnik. Napajalnik DC Agilent E3631A se uporablja za napajanje operacijskega ojačevalnika z izhodom +15 V in -15 V, ki gre na nožici 4 in 7. Funkcijski generator je nastavljen za oddajanje sinusne oblike valov z začetno frekvenco 10 Hz, Vpp 1 V in odmik 0 V. Pozitivni vhod je treba priključiti na R1, negativni vhod pa na ozemljitev. Vhod je treba priključiti tudi na kanal 1 osciloskopa. Izhod zareznega filtra, ki prihaja iz zatiča 6 operacijskega ojačevalnika, je prikazan na kanalu 2 osciloskopa. Pomik AC se izmeri in zabeleži s spreminjanjem frekvence od 10 Hz do 100 Hz. Frekvenco lahko povečate za korake po 10 Hz, dokler ne dosežete frekvence 50. Nato se koraki po 2 Hz uporabijo do 59 Hz. Ko dosežete 59 Hz, morate narediti korake za 0,1 Hz. Potem, ko dosežete 60 Hz, se lahko koraki znova povečajo. Zapisati je treba razmerje Vout/Vin in fazni kot. Če razmerje Vout/Vin pri 60 Hz ni manjše ali enako -20 dB, je treba za uravnavanje tega razmerja spremeniti vrednosti upora. Iz teh podatkov se nato oblikuje grafikon frekvenčnega odziva in fazni odziv. Frekvenčni odziv bi moral izgledati tako na grafu, ki dokazuje, da so frekvence okoli 60Hz odstranjene, kar želite!

4. korak: Zgradite nizkoprepustni filter in ga preizkusite

Mejna frekvenca nizkoprepustnega filtra je 150 Hz. Ta vrednost je bila izbrana, ker želite obdržati vse frekvence, ki so prisotne na EKG -ju, hkrati pa odstraniti odvečni šum, ki ga najdemo predvsem pri višjih frekvencah. Frekvenca vala T je v območju od 0-10 Hz, val P v območju od 5-30 Hz in kompleks QRS v območju 8-50 Hz. Za nenormalno ventrikularno prevodnost so značilne višje frekvence, običajno nad 70 Hz. Zato je bilo za mejno frekvenco izbrano 150 Hz, da bi zagotovili, da lahko zajamemo vse frekvence, tudi višje, hkrati pa odrežemo visokofrekvenčni šum. Poleg mejne frekvence 150 Hz je faktor kakovosti K nastavljen na 1, ker dodatno ojačanje ni potrebno. Vrednosti za R1, R2, R3, R4, C1 in C2 smo najprej določili z uporabo naslednjih oblikovalskih enačb za nizkoprepustni 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), ko je K> 1

R4 = K (R1+R2)

C2 približno 10/fc uF

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

Kjer je K = dobiček

⍵c = mejna frekvenca (rad/s)

fc = mejna frekvenca (Hz)

a = koeficient filtra = 1,414214

b = koeficient filtra = 1

Ker je dobiček 1, se R3 nadomesti z odprtim vezjem, R4 pa s kratkim stikom, zaradi česar je sledilnik napetosti. Zato teh vrednosti ni treba rešiti. Najprej smo rešili vrednost C2. Če v to enačbo vstavimo prejšnje vrednosti, dobimo:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Nato lahko C1 rešimo z vrednostjo C2.

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

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

Ko so vrednosti kapacitivnosti rešene, lahko R1 in R2 izračunamo na naslednji 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

S pravimi upori zgradite vezje, prikazano na diagramu vezja.

To je zadnja stopnja celotne zasnove in bi morala biti zgrajena na plošči neposredno levo od zareznega filtra z izhodom zareznega filtra in vhodno napetostjo za nizkoprepustni filter. To vezje je treba zgraditi na isti ploščadi kot prej, s pravilno izračunanimi upori in kapacitivnostmi ter enim operacijskim ojačevalnikom. Ko je vezje zgrajeno s shemo vezja na sliki 3, se preskusi. Na tej točki je treba preskusiti le to stopnjo, zato je ne smete priključiti niti na instrumentacijski ojačevalnik niti na zarezni filter. Zato se Agilent E3631A DC napajalnik uporablja za napajanje operacijskega ojačevalnika z izhodom +15 in -15 V, ki gre na zatiča 4 in 7. Funkcijski generator je nastavljen za oddajanje sinusne valovne oblike z začetno frekvenco 10 Hz, a Vpp 1 V in odmik 0 V. Pozitivni vhod je treba priključiti na R1, negativni vhod pa na ozemljitev. Vhod je treba priključiti tudi na kanal 1 osciloskopa. Izhod zareznega filtra, ki prihaja iz zatiča 6 operacijskega ojačevalnika, je prikazan na kanalu 2 osciloskopa. Posek izmeničnega toka se izmeri in zabeleži s spreminjanjem frekvence od 10 Hz do 300 Hz. Frekvenco lahko povečate za korake 10 Hz, dokler ne dosežete mejne frekvence 150 Hz. Nato je treba frekvenco povečati za 5 Hz, dokler ne doseže 250 Hz. Za dokončanje pometanja lahko uporabite višje korake po 10 Hz. Zabeleži se razmerje Vout/Vin in fazni kot. Če mejna frekvenca ni 150 Hz, je treba vrednosti upora spremeniti, da se zagotovi, da je ta vrednost dejansko mejna frekvenca. Načrt frekvenčnega odziva bi moral izgledati kot slika, na kateri lahko vidite, da je mejna frekvenca okoli 150Hz.

5. korak: Združite vse 3 komponente in simulirajte elektrokardiogram (EKG)

Povežite vse tri stopnje tako, da med zadnjo komponento vezja prejšnje komponente dodate žico na začetek naslednje komponente. Celotno vezje je prikazano na diagramu.

Z uporabo generatorja funkcij simulirajte drug signal EKG -ja tako, da če so bile komponente sestavljene in uspešno povezane, mora biti vaš izhod na osciloskopu videti tako kot na sliki.

6. korak: Nastavite ploščo DAQ

Nad ploščo DAQ je vidna. Priključite ga na hrbtno stran računalnika, da ga vklopite, in ločeni analogni vhod postavite v kanal 8 na plošči (ACH 0/8). V luknje z oznako „1“in „2“izoliranega analognega vhoda vstavite dve žici. Nastavite funkcijski generator za oddajanje EKG signala 1Hz z Vpp 500mV in odmikom 0V. Priključite izhod funkcijskega generatorja na žice, nameščene v izoliranem analognem vhodu.

7. korak: Odprite LabView, ustvarite nov projekt in nastavite pomočnika DAQ

Odprite programsko opremo LabView in ustvarite nov projekt ter v spustnem meniju datoteke odprite nov VI. Z desno miškino tipko kliknite stran, da odprete okno komponente. Poiščite »DAQ Assistant Input« in ga povlecite na zaslon. Tako se samodejno potegne prvo okno.

Izberite Pridobite signale> Analogni vhod> Napetost. S tem se odpre drugo okno.

Izberite ai8, ker ste svoj izolirani analogni vhod postavili v kanal 8. Izberite Končaj, da povlečete zadnje okno.

Spremenite način pridobivanja na neprekinjene vzorce, vzorce na branje na 2 k in hitrost na 1 kHz. Nato izberite Zaženi na vrhu okna in prikazal bi se rezultat, kot je prikazan zgoraj. Če je signal EKG obrnjen, preprosto preklopite povezave iz generatorja funkcij na ploščo DAQ. To kaže, da uspešno pridobivate EKG signal! (Ja!) Zdaj ga morate kodirati, da ga analizirate!

8. korak: Kodirajte LabView za analizo komponent EKG signala in izračun srčnega utripa

Uporabite simbole na sliki v programu LabView

Pomočnika DAQ ste že postavili. Pomočnik DAQ sprejema vhodni signal, ki je analogni napetostni signal, bodisi simuliran s funkcijskim generatorjem bodisi sprejet neposredno od osebe, priključene na ustrezno nameščene elektrode. Nato sprejme ta signal in ga vodi skozi A/D pretvornik z neprekinjenim vzorčenjem in parametri 2000 vzorcev, ki jih je treba prebrati, pri 1 kHz frekvenci vzorčenja ter z vrednostmi max in min napetosti 10V oziroma -10V. Ta pridobljeni signal se nato prikaže na grafu, tako da ga je mogoče vizualno videti. Vzame tudi to pretvorjeno valovno obliko in doda 5, da se zagotovi negativni odmik in se nato pomnoži z 200, da so vrhovi bolj ločeni, večji in lažje analizirani. Nato določi največjo in najmanjšo vrednost valovne oblike v danem oknu 2,5 sekunde skozi operand max/min. Izračunano največjo vrednost je treba pomnožiti z odstotkom, ki ga je mogoče spremeniti, vendar je običajno 90% (0,9). Ta vrednost se nato doda minimalni vrednosti in kot prag pošlje v operand za zaznavanje vrha. Posledično je vsaka točka grafa valovne oblike, ki presega ta prag, definirana kot vrh in shranjena kot niz vrhov v operaterju detektorja vrhov. Ta niz vrhov se nato pošlje na dve različni funkciji. Ena od teh funkcij operaterja max vrednosti sprejme tako vršno polje kot izhod valovne oblike. V okviru te funkcije, dt, se ta dva vhoda pretvori v časovno vrednost za vsakega od vrhov. Druga funkcija je sestavljena iz dveh indeksnih operaterjev, ki vzameta lokacijske izhode funkcije zaznavanja vrhov in jih indeksirata ločeno, da dobita lokacije 0. vrha in prvega vrha. Razliko med tema dvema lokacijama izračuna operator minus in nato pomnoži s časovnimi vrednostmi, pridobljenimi iz funkcije dt. To prikaže obdobje ali čas med dvema vrhovoma v sekundah. Po definiciji 60, deljeno s obdobjem, daje BPM. Ta vrednost se nato izvede skozi absolutni operand, da se prepriča, da je izhod vedno pozitiven, nato pa se zaokroži na najbližje celo število. To je zadnji korak pri izračunu in končnem izpisu srčnega utripa na isti zaslon kot izhod valovne oblike. Na koncu bi moral biti blokovni diagram videti kot prva slika.

Ko zaženete program, bi morali prikazati izhod na sliki.

9. korak: Združite vezje in komponente LabView ter se povežite z resnično osebo

Zdaj pa zabavni del! S kombinacijo vašega čudovitega vezja in programa LabView pridobite pravi EKG in izračunate njegov srčni utrip. Da bi vezje prilagodili človeku in ustvarili sposoben signal, je treba dobiček instrumentacijskega ojačevalnika zmanjšati na dobiček 100. To je posledica dejstva, da pri povezavi z osebo pride do odmika, ki nato nasiči operacijski ojačevalnik. Z zmanjšanjem dobička bo to zmanjšalo to vprašanje. Najprej se dobiček prve stopnje instrumentacijskega ojačevalnika spremeni na dobiček 4, tako da je skupni dobiček 100. Nato z enačbo 1 nastavimo R2 na 19,5 kΩ in R1 ugotovimo na naslednji način:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 kΩ Nato se instrumentni ojačevalnik spremeni s spreminjanjem upora R1 na 13 kΩ, kot je prikazano v koraku 2 na predhodno zgrajeni plošči. Celotno vezje je povezano in vezje je mogoče preizkusiti z LabView. Napajalnik DC Agilent E3631A napaja operacijske ojačevalnike z izhodom +15 V in -15 V, ki gredo na nožici 4 in 7. Elektrode EKG so povezane s predmetom s pozitivnim vodilom (G1) na levi gleženj, negativni odvod (G2), ki gre do desnega zapestja, in tla (COM) do desnega gležnja. Človeški vhod bi moral biti v pin 3 operacijskih ojačevalnikov v prvi stopnji vezja s pozitivnim kablom, priključenim na pin 3 prvega operacijskega ojačevalnika, negativni kabel pa na priključek 3 drugega operacijskega ojačevalnika. Tla se povežejo z maso plošče. Izhod ojačevalnika, ki prihaja iz zatiča 6 nizkoprepustnega filtra, je priključen na ploščo DAQ. Bodite prepričani, da ste zelo tihi in tihi, v LabView pa bi morali dobiti izhod, ki je podoben tistemu na sliki.

Ta signal je očitno veliko bolj hrupen kot popoln signal, ki ga simulira funkcijski generator. Posledično bo vaš srčni utrip močno skočil, vendar bi moral nihati v razponu 60-90 BPM. In tu ste! Zabaven način merjenja lastnega srčnega utripa z izgradnjo vezja in kodiranjem programske opreme!