ЕКГ и виртуален потребителски интерфейс на сърдечната честота: 9 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:54

За тази инструкция ще ви покажем как да изградите верига, за да получите сърдечния ритъм и да го покажете на виртуален потребителски интерфейс (VUI) с графичен изход на сърдечния ритъм и сърдечната честота. Това изисква сравнително проста комбинация от компоненти на веригата и софтуера LabView за анализ и извеждане на данните. Това не е медицинско изделие. Това е само за образователни цели, като се използват симулирани сигнали. Ако използвате тази схема за реални измервания на ЕКГ, моля, уверете се, че веригата и връзките верига към инструмент използват подходящи техники за изолация.

Материали

Верига:

• Макет:
• Резистори:
• Кондензатори:
• Операционни усилватели:
• Проводници на веригата (включени в връзката към платката)
• Алигаторни клипове
• Акорди на банан
• Agilent E3631A DC захранване
• Генератор на функции
• Осцилоскоп

LabView:

• Софтуер LabView
• DAQ дъска
• Кабелни проводници
• Изолиран аналогов вход
• Генератор на функции

Стъпка 1: Определете какви филтри и усилватели да използвате

За да се представи ЕКГ сигнал, са проектирани и внедрени три различни етапа на веригата: инструментален усилвател, филтър с прорез и нискочестотен филтър. Инструменталният усилвател усилва сигнала, тъй като когато е получен от обект, често е много малък и трудно се вижда и анализира. Филтърът с прорези се използва за премахване на шума при 60Hz, тъй като ЕКГ сигнал не съдържа сигнали при 60Hz. И накрая, нискочестотният филтър премахва по-високи честоти, за да премахне шума от сигнала и в комбинация с филтъра с прорези допуска само честотите, представени в ЕКГ сигнал.

Стъпка 2: Изградете инструментален усилвател и го тествайте

Усилвателят трябва да има усилване от 1000 V/V и както може да се види, усилвателят се състои от два етапа. Следователно печалбата трябва да бъде разпределена равномерно между двата етапа, като K1 е печалбата на първия етап, а K2 е печалбата на втория етап. Определихме K1 за 40, а K2 за 25. Това са приемливи стойности поради факта, че когато се умножат заедно, се получава усилване от 1000 V/V, 40 x 25 = 1000, и те са със сравнима стойност, с отклонение от 15 V/V. Използвайки тези стойности за усилване, тогава могат да се изчислят правилните съпротивления. За тези изчисления се използват следните уравнения:

Усилване на етап 1: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Усилване на етап 2: K2 = -R4R3 (2)

Ние произволно избрахме стойност на R1, в този случай тя беше 1 kΩ и след това впоследствие се реши за стойността на R2. Включвайки тези предишни стойности в уравнението за печалба от етап 1, получаваме:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Важно е да се гарантира, че при избора на съпротивления, те са в обхвата kOhm поради основното правило, че колкото по -голям е резисторът, толкова по -голяма мощност може безопасно да се разсее, без да пострада. Ако съпротивлението е твърде малко и има твърде голям ток, ще има повреда на резистора и освен това самата верига няма да може да функционира. Следвайки същия протокол за етап 2, ние произволно избрахме стойност от R3, 1 kΩ и след това решихме за R4. Включвайки предишните стойности в уравнението за усилване на етап 2, получаваме: 25 = -R4*1000 ⇒R4 = 25000 Ω

Отрицателният знак се отрича, тъй като съпротивленията не могат да бъдат отрицателни. След като имате тези стойности, изградете следната схема на снимката. След това го тествайте!

Захранването с постоянен ток Agilent E3631A захранва операционните усилватели с изход +15 V и -15 V, преминаващи към пинове 4 и 7. Настройте функционалния генератор да извежда форма на сърдечна вълна с честота 1 kHz, Vpp от 12,7 mV, и отместване от 0 V. Този вход трябва да бъде към извод 3 на операционните усилватели в първия етап на веригата. Изходът на усилвателя, идващ от пин 6 на операционния усилвател на втория етап, се показва на канал 1 на осцилоскопа и напрежението от пик до пик се измерва и записва. За да се гарантира, че инструменталният усилвател има усилване от най-малко 1000 V/V, напрежението от връх до връх трябва да бъде най-малко 12,7 V.

Стъпка 3: Изградете Notch Filter и го тествайте

Филтърът с прорез е необходим за премахване на 60 Hz шум от биосигнала. В допълнение към това изискване, тъй като този филтър не се нуждае от допълнително усилване, коефициентът на качество е зададен на 1. Както при инструменталния усилвател, първо определихме стойностите за R1, R2, R3 и C, използвайки следния дизайн уравнения за филтър с прорез: R1 = 1/(2Q⍵0C)

R2 = 2Q/(⍵0C)

R3 = R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β = ⍵c2 -⍵c1

Където Q = качествен фактор

⍵0 = 2πf0 = централна честота в рад/сек

f0 = централна честота в Hz

β = честотна лента в рад/сек

⍵c1, ⍵c2 = гранични честоти (рад/сек)

Ние произволно избрахме стойност на C, в този случай тя беше 0,15 µF и след това впоследствие се реши за стойността на R1. Включвайки предишните изброени стойности на фактора за качество, централната честота и капацитета, получаваме:

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

Както бе споменато по -горе при обсъждането на дизайна на инструменталния усилвател, все още е важно да се уверите, че при решаването на съпротивления те са в диапазона kOhm, така че да не се повредят веригите. Ако при решаване на съпротивленията едно е твърде малко, трябва да се промени стойност, като например капацитета, за да се гарантира, че това не се случва. Подобно на решаването на уравнението за R1, R2 и R3може да се реши:

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

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

Освен това, решете за честотната лента, за да я имате като теоретична стойност за сравнение с експерименталната стойност по -късно:

1 = (2π60)/β⇒β = 47,12 рад/сек

След като разберете стойностите на съпротивлението, изградете верига на макета.

На този етап трябва да се тества само този етап от веригата, така че не трябва да се свързва с инструменталния усилвател. Захранването DC Agilent E3631A се използва за захранване на операционния усилвател с изход +15 V и -15 V към контакти 4 и 7. Функционалният генератор е настроен да извежда синусоидална форма на вълната с начална честота 10 Hz, a Vpp от 1 V и отклонение от 0 V. Положителният вход трябва да бъде свързан към R1 и отрицателният вход трябва да бъде свързан към земята. Входът също трябва да бъде свързан към канал 1 на осцилоскопа. Изходът на филтъра с прорези, идващ от пин 6 на операционния усилвател, се показва на канал 2 на осцилоскопа. Измерването и записването на променлив ток се извършва чрез промяна на честотата от 10 Hz до 100 Hz. Честотата може да се увеличава със стъпки от 10 Hz, докато достигне честота от 50. След това стъпките от 2 Hz се използват до 59 Hz. След като се достигне 59 Hz, трябва да се вземат стъпки от 0,1 Hz. След това, след достигане на 60 Hz, стъпките отново могат да бъдат увеличени. Трябва да се запишат съотношението Vout/Vin и фазовият ъгъл. Ако съотношението Vout/Vin не е по -малко или равно на -20 dB при 60 Hz, стойностите на съпротивлението трябва да бъдат променени, за да се гарантира това съотношение. След това от тези данни се конструира графика на честотна характеристика и графика на фазовия отговор. Честотната характеристика трябва да изглежда така в графиката, която доказва, че честотите около 60Hz са премахнати, което искате!

Стъпка 4: Изградете нискочестотен филтър и го тествайте

Пределната честота на нискочестотния филтър се определя като 150 Hz. Тази стойност е избрана, защото искате да запазите всички честоти, присъстващи в ЕКГ, като същевременно премахнете излишния шум, специфично открит при по -високи честоти. Честотата на Т вълната е в диапазона от 0-10 Hz, P вълната в диапазона от 5-30 Hz, а QRS комплексът в диапазона 8-50 Hz. Ненормалната камерна проводимост обаче се характеризира с по -високи честоти, обикновено над 70 Hz. Следователно, 150 Hz е избран за гранична честота, за да се гарантира, че можем да уловим всички честоти, дори и по -високите честоти, като същевременно отсечем високочестотния шум. В допълнение към граничната честота от 150 Hz, коефициентът на качество, K, е зададен на 1, тъй като не се изисква допълнително усилване. Първо определихме стойностите за R1, R2, R3, R4, C1 и C2, като използваме следните проектни уравнения за нискочестотен филтър:

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

R2 = 1/[bC1C2R1⍵c^2]

R3 = K (R1+ R2)/(K -1), когато K> 1

R4 = K (R1+R2)

C2 около 10/fc uF

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

Където K = печалба

⍵c = гранична честота (рад/сек)

fc = гранична честота (Hz)

a = коефициент на филтър = 1.414214

b = коефициент на филтър = 1

Тъй като усилването е 1, R3 се заменя с отворена верига, а R4 се заменя с късо съединение, което го прави последовател на напрежение. Следователно тези стойности не трябва да се решават. Първо решихме за стойността на C2. Включвайки предишните стойности в това уравнение, получаваме:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Тогава C1 може да бъде решен, като се използва стойността на C2.

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

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

След като стойностите на капацитета са решени за, R1 и R2 могат да бъдат изчислени, както следва:

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

С правилните съпротивления изградете веригата, видяна на електрическата схема.

Това е последният етап от цялостния дизайн и трябва да бъде изграден върху макета директно вляво от филтъра с прорези с изхода на филтъра с вдлъбнатина и входното напрежение за нискочестотния филтър. Тази схема трябва да бъде изградена, като се използва същата схема, както преди, с правилно изчислените съпротивления и капацитети и един операционен усилвател. След като веригата бъде изградена с помощта на електрическата схема на фигура 3, тя се тества. На този етап трябва да се тества само този етап, така че не трябва да се свързва нито с инструменталния усилвател, нито с филтъра с прорези. Следователно, Agilent E3631A DC захранването се използва за захранване на операционния усилвател с изход +15 и -15 V, преминаващ към пинове 4 и 7. Функционалният генератор е настроен да извежда синусоидална форма на вълната с начална честота 10 Hz, a Vpp от 1 V и отклонение от 0 V. Положителният вход трябва да бъде свързан към R1 и отрицателният вход трябва да бъде свързан към земята. Входът също трябва да бъде свързан към канал 1 на осцилоскопа. Изходът на филтъра с прорези, идващ от пин 6 на операционния усилвател, се показва на канал 2 на осцилоскопа. Измерването и записването на променлив ток се извършва чрез промяна на честотата от 10 Hz до 300 Hz. Честотата може да се увеличава с стъпки от 10 Hz, докато достигне граничната честота от 150 Hz. След това честотата трябва да се увеличи с 5 Hz, докато достигне 250 Hz. По -високи стъпки от 10 Hz могат да се използват за завършване на размахването. Записват се съотношението Vout/Vin и фазовият ъгъл. Ако граничната честота не е 150 Hz, тогава стойностите на съпротивлението трябва да бъдат променени, за да се гарантира, че тази стойност всъщност е граничната честота. Графикът на честотната характеристика трябва да изглежда като картината, където можете да видите, че граничната честота е около 150Hz.

Стъпка 5: Комбинирайте всичките 3 компонента и симулирайте електрокардиограма (ЕКГ)

Свържете и трите етапа, като добавите проводник между последния компонент на веригата на предишния компонент към началото на следващия компонент. Пълната верига се вижда на диаграмата.

Използвайки генератора на функции, симулирайте друг ЕКГ сигнал чрез

Стъпка 6: Настройка на DAQ Board

Над дъската DAQ може да се види. Свържете го към задната част на компютъра, за да го включите, и поставете изолирания аналогов вход в канал 8 на платката (ACH 0/8). Поставете два проводника в отворите, обозначени с „1“и „2“на изолирания аналогов вход. Настройте функционалния генератор за извеждане на ЕКГ сигнал от 1Hz с Vpp от 500mV и отклонение от 0V. Свържете изхода на функционалния генератор към проводниците, поставени в изолирания аналогов вход.

Стъпка 7: Отворете LabView, създайте нов проект и настройте DAQ Assistant

Отворете софтуера LabView и създайте нов проект и отворете нов VI под падащото меню файл. Щракнете с десния бутон върху страницата, за да отворите прозорец на компонент. Потърсете „DAQ Assistant Input“и го плъзнете върху екрана. Това автоматично ще изтегли първия прозорец.

Изберете Придобиване на сигнали> Аналогов вход> Напрежение. Това ще отвори втория прозорец.

Изберете ai8, защото сте поставили вашия изолиран аналогов вход в канал 8. Изберете Finish, за да издърпате последния прозорец.

Променете режима на придобиване на непрекъснати проби, пробите на четене на 2k и честотата на 1 kHz. След това изберете Изпълни в горната част на прозореца и трябва да се покаже изход като този, видян по -горе. Ако сигналът на ЕКГ е обърнат, просто превключете връзките от функционалния генератор към DAQ платката наоколо. Това показва, че успешно получавате ЕКГ сигнал! (Да!) Сега трябва да го кодирате, за да го анализирате!

Стъпка 8: Кодирайте LabView за анализ на компонентите на ЕКГ сигнала и изчисляване на сърдечния ритъм

Използвайте символите на снимката в LabView

Вече сте поставили DAQ Assistant. DAQ Assistant приема входния сигнал, който е аналогов сигнал за напрежение, или симулиран от функционален генератор, или получен директно от лице, свързано към подходящо поставени електроди. След това той приема този сигнал и го пропуска през A/D преобразувател с непрекъснато вземане на проби и параметри на 2000 проби за четене, честота на дискретизация 1 kHz и със стойности на максимално и минимално напрежение съответно 10V и -10V. Този получен сигнал след това се извежда на графика, така че да може да се види визуално. Той също така приема тази преобразувана форма на вълната и добавя 5, за да гарантира, че отчита отрицателно отместване и след това се умножава по 200, за да направи пиковете по -отчетливи, по -големи и по -лесни за анализ. След това той определя максималната и минималната стойност на формата на вълната в рамките на дадения прозорец от 2,5 секунди чрез операнда max/min. Изчислената максимална стойност трябва да се умножи по процент, който може да бъде променен, но обикновено е 90% (0,9). След това тази стойност се добавя към минималната стойност и се изпраща в операнда за откриване на пик като праг. В резултат на това всяка точка от графиката на формата на вълната, която надвишава този праг, се определя като пик и се записва като масив от пикове в оператора на пиковия детектор. След това този масив от пикове се изпраща към две различни функции. Една от тези функции получава както пиковия масив, така и изхода на формата на вълната от оператора за максимална стойност. В рамките на тази функция, dt, тези два входа се преобразуват във времева стойност за всеки от пиковете. Втората функция се състои от два индексни оператора, които вземат изходите за местоположение на функцията за откриване на пикове и ги индексират отделно, за да получат местоположенията на 0 -ия пик и 1 -ия пик. Разликата между тези две местоположения се изчислява от оператора минус и след това се умножава по времевите стойности, получени от функцията dt. Това извежда периода или времето между два пика в секунди. По дефиниция 60, разделено на периода, дава BPM. След това тази стойност се пропуска през абсолютен операнд, за да се гарантира, че изходът винаги е положителен и след това се закръглява до най -близкото цяло число. Това е последната стъпка в изчисляването и накрая извеждане на сърдечната честота на същия екран като изхода на формата на вълната. В края на това блоковата диаграма трябва да изглежда като първото изображение.

След като завършите блоковата диаграма, ако стартирате програмата, трябва да получите изхода на снимката.

Стъпка 9: Комбинирайте схемата и компонентите на LabView и свържете към истинско лице

Сега за забавната част! Комбинирайки вашата красива верига и програмата LabView, за да получите истинска ЕКГ и да изчислите нейната сърдечна честота. За да се модифицира веригата, за да съответства на човек и да се получи жизнеспособен сигнал, усилването на инструменталния усилвател трябва да бъде намалено до печалба от 100. Това се дължи на факта, че когато е свързан с човек, има изместване, което след това насища операционния усилвател. Намалявайки печалбата, това ще намали този проблем. Първо, усилването на първия етап на инструменталния усилвател се променя на коефициент на усилване 4, така че общото усилване е 100. След това, използвайки уравнение 1, R2 е зададен на 19,5 kΩ, а R1 се намира, както следва:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 kΩ След това инструменталният усилвател се променя чрез промяна на съпротивлението на R1 до 13 kΩ, както е показано в стъпка 2 на предварително изградената макетна платка. Цялата верига е свързана и веригата може да бъде тествана с помощта на LabView. Захранването с постоянен ток Agilent E3631A захранва операционните усилватели с изход +15 V и -15 V, отиващи към щифтове 4 и 7. Електрограмите за ЕКГ са свързани към обекта с положителния проводник (G1) към левия глезен, отрицателен проводник (G2) към дясната китка, а земята (COM) към десния глезен. Човешкият вход трябва да бъде към щифт 3 на операционните усилватели в първия етап на веригата с положителния проводник, свързан към щифт 3 на първия операционен усилвател и отрицателния проводник, свързан към щифт 3 на втория операционен усилвател. Земята се свързва със земята на дъската. Изходът на усилвателя, идващ от щифт 6 на нискочестотния филтър, е прикрепен към DAQ платката. Не забравяйте да бъдете много тихи и тихи и трябва да получите изход в LabView, който прилича на този на снимката.

Този сигнал очевидно е много по -шумен от перфектния сигнал, симулиран от функционалния генератор. В резултат на това сърдечната Ви честота ще скочи много, но трябва да се колебае с диапазон от 60-90 BPM. И ето го! Забавен начин за измерване на собствения ни сърдечен ритъм чрез изграждане на верига и кодиране на софтуер!