EKG a virtuálne používateľské rozhranie srdcového tepu: 9 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

V tomto návode vám ukážeme, ako vytvoriť obvod na príjem srdcového tepu a jeho zobrazenie na virtuálnom používateľskom rozhraní (VUI) s grafickým výstupom vášho srdcového tepu a srdcového tepu. Na analýzu a výstup údajov to vyžaduje relatívne jednoduchú kombináciu obvodových komponentov a softvéru LabView. Toto nie je zdravotnícka pomôcka. Toto je len na vzdelávacie účely pomocou simulovaných signálov. Ak používate tento obvod na skutočné merania EKG, uistite sa, že obvod a pripojenia obvodu k prístroju používajú správnu izolačnú techniku.

Materiály

Obvod:

• Breadboard:
• Rezistory:
• Kondenzátory:
• Operačné zosilňovače:
• Obvodové vodiče (súčasťou odkazu na Breadboard)
• Klipy aligátora
• Banánové akordy
• Agilent E3631A DC napájací zdroj
• Generátor funkcií
• Osciloskop

LabView:

• Softvér LabView
• Doska DAQ
• Obvodové vodiče
• Izolovaný analógový vstup
• Generátor funkcií

Krok 1: Zistite, aké filtre a zosilňovače použiť

Aby predstavovali signál EKG, boli navrhnuté a implementované tri rôzne stupne obvodu: prístrojový zosilňovač, zárezový filter a dolnopriepustný filter. Prístrojový zosilňovač zosilňuje signál, pretože keď je prijatý od subjektu, je často veľmi malý a ťažko ho vidieť a analyzovať. Zárezový filter sa používa na odstránenie šumu pri 60 Hz, pretože signál EKG neobsahuje signály pri 60 Hz. Nakoniec dolnopriepustný filter odstráni vyššie frekvencie, aby odstránil šum zo signálu, a v kombinácii s filtrom so zárezom umožňuje iba frekvencie, ktoré sú reprezentované v signáli EKG.

Krok 2: Zostavte zosilňovač prístrojov a vyskúšajte ho

Zosilňovač musí mať zosilnenie 1000 V/V a ako je vidieť, zosilňovač sa skladá z dvoch stupňov. Preto musí byť zisk rozdelený rovnomerne medzi dva stupne, pričom K1 je zisk prvého stupňa a K2 je zisk druhého stupňa. Určili sme K1 na 40 a K2 na 25. Toto sú prijateľné hodnoty vzhľadom na skutočnosť, že keď sa vynásobia, získa sa zisk 1000 V/V, 40 x 25 = 1 000, a majú porovnateľné množstvo s rozptyl 15 V/V. Pomocou týchto hodnôt pre zosilnenie je potom možné vypočítať správne odpory. Na tieto výpočty sa používajú nasledujúce rovnice:

Stupeň 1 zisk: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Zisk 2. etapy: K2 = -R4R3 (2)

Ľubovoľne sme vybrali hodnotu R1, v tomto prípade to bola 1 kΩ, a potom sme následne vyriešili na hodnotu R2. Pripojením týchto predchádzajúcich hodnôt do rovnice pre zisk fázy 1 získame:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Je dôležité zaistiť, aby pri výbere odporov boli v kOhm rozsahu, pretože platí pravidlo, že čím je odpor väčší, tým viac energie sa môže bezpečne rozptýliť bez poškodenia. Ak je odpor príliš malý a prúd je príliš veľký, dôjde k poškodeniu odporu a navyše samotný obvod nebude schopný fungovať. Podľa rovnakého protokolu pre fázu 2 sme ľubovoľne vybrali hodnotu R3, 1 kΩ a potom sme vyriešili pre R4. Pripojením predchádzajúcich hodnôt do rovnice pre zisk stupňa 2 získame: 25 = -R4*1000 ⇒R4 = 25 000 Ω

Záporné znamienko je negované, pretože odpory nemôžu byť negatívne. Akonáhle budete mať tieto hodnoty, vytvorte nasledujúci obvod na obrázku. Potom vyskúšajte!

Agilent E3631A DC napájací zdroj napája operačné zosilňovače s výstupom +15 V a -15 V na piny 4 a 7. Nastavte generátor funkcií na výstup srdcového priebehu s frekvenciou 1 kHz, Vpp 12,7 mV, a posunutie 0 V. Tento vstup by mal byť na kolíku 3 operačných zosilňovačov v prvom stupni obvodu. Výstup zosilňovača pochádzajúci z pinu 6 operačného zosilňovača druhého stupňa je zobrazený na kanáli 1 osciloskopu a zmerané a zaznamenané napätie medzi špičkami. Aby sa zaistilo, že zosilňovač prístrojového vybavenia má zosilnenie najmenej 1 000 V/V, napätie medzi špičkami by malo byť najmenej 12,7 V.

Krok 3: Vytvorte filter Notch a otestujte ho

Zárezový filter je potrebný na odstránenie 60 Hz šumu z biologického signálu. Okrem tejto požiadavky, pretože tento filter nemusí zahŕňať žiadne ďalšie zosilnenie, je faktor kvality nastavený na 1. Rovnako ako v prípade prístrojového zosilňovača sme najskôr určili hodnoty pre R1, R2, R3 a C pomocou nasledujúceho návrhu. rovnice pre zárezový filter: R1 = 1/(2Q⍵0C)

R2 = 2Q/(⍵0C)

R3 = R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β = ⍵c2 -⍵c1

Kde Q = faktor kvality

⍵0 = 2πf0 = stredová frekvencia v rad/s

f0 = stredová frekvencia v Hz

β = šírka pásma v rad/s

⍵c1, ⍵c2 = medzné frekvencie (rad/s)

Svojvoľne sme vybrali hodnotu C, v tomto prípade to bolo 0,15 µF, a potom sme následne vyriešili na hodnotu R1. Pripojením predchádzajúcich hodnôt faktora kvality, stredovej frekvencie a kapacity získame:

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

Ako je uvedené vyššie, pri diskusii o konštrukcii zosilňovača prístrojov je stále dôležité zabezpečiť, aby pri riešení odporov boli v rozsahu kOhm, aby nedošlo k poškodeniu obvodu. Ak je pri riešení odporov jeden príliš malý, mala by sa zmeniť hodnota, napríklad kapacita, aby sa tak nestalo. Podobne ako pri riešení rovnice pre R1, R2 a R3 je možné vyriešiť:

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

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

Navyše vyriešte šírku pásma, aby ste ju mali ako teoretickú hodnotu na porovnanie s experimentálnou hodnotou neskôr:

1 = (2π60)/β⇒β = 47,12 rad/s

Keď poznáte hodnoty odporu, vytvorte obvod na doske.

V tomto mieste sa má testovať iba tento stupeň obvodu, preto by nemal byť pripojený k zosilňovaču prístrojov. Jednosmerný napájací zdroj Agilent E3631A sa používa na napájanie operačného zosilňovača s výstupom +15 V a -15 V na piny 4 a 7. Funkčný generátor je nastavený na výstup sínusového priebehu s počiatočnou frekvenciou 10 Hz, a Vpp 1 V a offset 0 V. Kladný vstup by mal byť pripojený k R1 a záporný vstup by mal byť pripojený k zemi. Vstup by mal byť tiež pripojený k kanálu 1 osciloskopu. Výstup filtra zárezu pochádzajúceho z pinu 6 operačného zosilňovača je zobrazený na kanáli 2 osciloskopu. Rozchod AC sa meria a zaznamenáva zmenou frekvencie od 10 Hz do 100 Hz. Frekvenciu je možné zvyšovať o 10 Hz až do dosiahnutia frekvencie 50. Potom sa použijú prírastky 2 Hz až do 59 Hz. Akonáhle sa dosiahne 59 Hz, mali by sa vykonať prírastky po 0,1 Hz. Potom, keď sa dosiahne 60 Hz, je možné prírastky opäť zvýšiť. Zaznamená sa pomer Vout/Vin a fázový uhol. Ak pomer Vout/Vin nie je menší alebo rovný -20 dB pri 60 Hz, hodnoty odporu je potrebné zmeniť, aby sa tento pomer zaistil. Z týchto dát je potom zostavený diagram frekvenčnej odozvy a diagram fázovej odozvy. Frekvenčná odozva by mala vyzerať takto v grafe, ktorý dokazuje, že frekvencie okolo 60 Hz sú odstránené, čo chcete!

Krok 4: Vytvorte dolnopriepustný filter a otestujte ho

Medzná frekvencia dolnopriepustného filtra je určená ako 150 Hz. Táto hodnota bola zvolená, pretože chcete zachovať všetky frekvencie prítomné v EKG a zároveň odstrániť prebytočný šum, konkrétne zistený pri vyšších frekvenciách. Frekvencia vlny T leží v rozsahu 0-10 Hz, vlna P je v rozsahu 5-30 Hz a komplex QRS je v rozsahu 8-50 Hz. Abnormálne komorové vedenie je však charakterizované vyššími frekvenciami, typicky nad 70 Hz. Preto bol ako medzný kmitočet zvolený 150 Hz, aby sa zaistilo, že dokážeme zachytiť všetky frekvencie, dokonca aj vyššie, a zároveň prerušiť vysokofrekvenčný šum. Okrem medznej frekvencie 150 Hz je faktor kvality K nastavený na 1, pretože nie je potrebné žiadne ďalšie zosilnenie. Hodnoty pre R1, R2, R3, R4, C1 a C2 sme najskôr určili pomocou nasledujúcich návrhových rovníc pre dolnopriepustný 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), keď K> 1

R4 = K (R1+R2)

C2 asi 10/fc uF

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

Kde K = zisk

⍵c = medzná frekvencia (rad/s)

fc = medzná frekvencia (Hz)

a = koeficient filtra = 1,414214

b = filtračný koeficient = 1

Pretože zisk je 1, R3 je nahradený otvoreným obvodom a R4 je nahradený skratom, čo z neho robí sledovač napätia. Tieto hodnoty preto nie je potrebné riešiť. Najprv sme riešili hodnotu C2. Pripojením predchádzajúcich hodnôt do tejto rovnice dostaneme:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Potom je možné C1 vyriešiť pomocou hodnoty C2.

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

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

Akonáhle sú hodnoty kapacity vyriešené pre, R1 a R2 sa môžu vypočítať nasledovne:

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

So správnymi odpormi zostrojte obvod viditeľný na schéme zapojenia.

Toto je posledná etapa celkového návrhu a mala by byť postavená na nepájivom poli priamo vľavo od zárezového filtra s výstupom zárezového filtra a vstupným napätím pre dolnopriepustný filter. Tento obvod je skonštruovaný s použitím rovnakého dosky ako predtým, so správne vypočítanými odpormi a kapacitami a jedným operačným zosilňovačom. Akonáhle je obvod zostavený podľa schémy zapojenia na obrázku 3, je testovaný. V tomto mieste sa má testovať iba tento stupeň, preto by nemal byť pripojený ani k prístrojovému zosilňovaču, ani k zárezovému filtru. Preto sa jednosmerný zdroj Agilent E3631A používa na napájanie operačného zosilňovača s výstupom +15 a -15 V na piny 4 a 7. Funkčný generátor je nastavený na výstup sínusového priebehu s počiatočnou frekvenciou 10 Hz, a Vpp 1 V a offset 0 V. Kladný vstup by mal byť pripojený k R1 a záporný vstup by mal byť pripojený k zemi. Vstup by mal byť tiež pripojený k kanálu 1 osciloskopu. Výstup filtra zárezu pochádzajúceho z pinu 6 operačného zosilňovača je zobrazený na kanáli 2 osciloskopu. Rozchod AC sa meria a zaznamenáva zmenou frekvencie od 10 Hz do 300 Hz. Frekvenciu je možné zvyšovať o 10 Hz, až kým nedosiahne medznú frekvenciu 150 Hz. Potom by sa mala frekvencia zvýšiť o 5 Hz, až kým nedosiahne 250 Hz. Na dokončenie cyklu je možné použiť vyššie prírastky po 10 Hz. Zaznamená sa pomer Vout/Vin a fázový uhol. Ak medzná frekvencia nie je 150 Hz, hodnoty odporu je potrebné zmeniť, aby sa zaistilo, že táto hodnota je v skutočnosti medznou frekvenciou. Graf frekvenčnej odozvy by mal vyzerať ako na obrázku, kde môžete vidieť, že medzná frekvencia je okolo 150 Hz.

Krok 5: Skombinujte všetky 3 komponenty a simulujte elektrokardiogram (EKG)

Pripojte všetky tri stupne pridaním vodiča medzi posledný obvodový komponent predchádzajúceho komponentu na začiatok nasledujúceho komponentu. Celý obvod je znázornený na diagrame.

Pomocou generátora funkcií simulujte ďalší signál EKG podľa Ak sú súčiastky postavené a pripojené úspešne, váš výstup na osciloskope by mal vyzerať takto na obrázku.

Krok 6: Nastavenie dosky DAQ

Nad doskou DAQ je vidieť. Pripojte ho k zadnej časti počítača, aby sa zapol, a umiestnite izolovaný analógový vstup do kanála 8 na doske (ACH 0/8). Vložte dva vodiče do otvorov označených „1“a „2“izolovaného analógového vstupu. Nastavte generátor funkcií na výstup signálu EKG 1 Hz s Vpp 500 mV a posunom 0 V. Pripojte výstup generátora funkcií k vodičom umiestneným v izolovanom analógovom vstupe.

Krok 7: Otvorte LabView, vytvorte nový projekt a nastavte DAQ Assistant

Otvorte softvér LabView, vytvorte nový projekt a v rozbaľovacej ponuke súborov otvorte nový VI. Kliknutím pravým tlačidlom myši na stránku otvoríte okno komponentu. Vyhľadajte „Vstup asistenta DAQ“a presuňte ho na obrazovku. Tým sa automaticky vytiahne prvé okno.

Vyberte položku Získať signály> Analógový vstup> Napätie. Tým sa vytiahne druhé okno.

Vyberte ai8, pretože ste vložili izolovaný analógový vstup do kanála 8. Výberom položky Dokončiť zobrazíte posledné okno.

Zmeňte režim akvizície na nepretržité vzorky, vzorky na čítanie na 2 k a rýchlosť na 1 kHz. Potom v hornej časti okna vyberte položku Spustiť a mal by sa zobraziť výstup, ako je uvedené vyššie. Ak je signál EKG invertovaný, jednoducho prepnite pripojenia z generátora funkcií na dosku DAQ. Toto ukazuje, že úspešne získavate signál EKG! (Hej!) Teraz to musíte kódovať, aby ste to mohli analyzovať!

Krok 8: Kódujte LabView na analýzu zložiek signálu EKG a výpočet srdcového tepu

V programe LabView použite symboly na obrázku

Asistenta DAQ ste už umiestnili. DAQ Assistant odoberá vstupný signál, ktorý je analógovým napäťovým signálom, buď simulovaným generátorom funkcií, alebo prijatým priamo od osoby pripojenej k vhodne umiestneným elektródam. Potom zachytí tento signál a prevedie ho A/D prevodníkom s nepretržitým vzorkovaním a parametrami 2 000 vzoriek na čítanie, pričom vzorkovacia frekvencia 1 kHz a hodnoty maximálneho a minimálneho napätia sú 10 V a -10 V. Tento získaný signál je potom vyvedený na grafe, aby bol vizuálne viditeľný. Zoberie aj tento konvertovaný priebeh vlny a pridá 5, aby sa zabezpečilo, že bude zodpovedať negatívnemu posunu, a potom sa vynásobí 200, aby boli vrcholy zreteľnejšie, väčšie a ľahšie analyzovateľné. Potom pomocou operandu max/min určí maximálnu a minimálnu hodnotu priebehu v rámci daného okna 2,5 sekundy. Vypočítanú maximálnu hodnotu je potrebné vynásobiť percentom, ktoré je možné zmeniť, ale zvyčajne je 90% (0,9). Táto hodnota je potom pripočítaná k minimálnej hodnote a odoslaná do operandu detekcie píkov ako prahová hodnota. Výsledkom je, že každý bod grafu priebehu, ktorý prekračuje tento prah, je definovaný ako vrchol a uložený ako pole vrcholov v operátorovi detektora píkov. Toto pole vrcholov je potom odoslané do dvoch rôznych funkcií. Jedna z týchto funkcií prijíma operátorom maximálnej hodnoty vrcholové pole aj výstup krivky. V rámci tejto funkcie dt sú tieto dva vstupy prevedené na časovú hodnotu pre každý z píkov. Druhá funkcia pozostáva z dvoch indexových operátorov, ktoré preberajú lokalizačné výstupy funkcie detekcie píkov a indexujú ich oddelene, aby získali polohy 0. píku a 1. píku. Rozdiel medzi týmito dvoma miestami vypočíta operátor mínus a potom ho vynásobi časovými hodnotami získanými z funkcie dt. Výsledkom je perióda alebo čas medzi dvoma vrcholmi v sekundách. Podľa definície 60 delených periódou dáva BPM. Táto hodnota sa potom spracuje cez absolútny operand, aby sa zabezpečilo, že výstup je vždy kladný, a potom sa zaokrúhli na najbližšie celé číslo. Toto je posledný krok pri výpočte a konečnom výstupe srdcovej frekvencie na rovnakú obrazovku ako výstup krivky. Takto by mal blokový diagram vyzerať ako prvý obrázok.

Po dokončení blokového diagramu, ak spustíte program, mali by ste získať výstup na obrázku.

Krok 9: Spojte obvod a komponenty LabView a zapojte skutočnú osobu

Teraz k zábavnej časti! Kombináciou vášho nádherného obvodu a programu LabView získate skutočné EKG a vypočítate jeho srdcový tep. Aby bol obvod upravený tak, aby zodpovedal človeku a produkoval životaschopný signál, musí byť zosilnenie prístrojového zosilňovača znížené na zisk 100. Je to spôsobené skutočnosťou, že pri pripojení k osobe dochádza k posunu, ktorý potom nasýti operačný zosilňovač. Znížením zisku to zníži tento problém. Po prvé, zisk prvého stupňa zosilňovača prístrojov sa zmení na zisk 4, takže celkový zisk je 100. Potom pomocou rovnice 1 je R2 nastavený na 19,5 kΩ a R1 je zistené nasledovne:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒ R1 = 13 kΩ Potom sa zosilňovač prístrojov upraví zmenou odporu R1 na 13 kΩ, ako je znázornené v kroku 2 na predtým postavenom nepájivom poli. Celý obvod je zapojený a obvod je možné testovať pomocou LabView. Agilent E3631A DC napájací zdroj napája operačné zosilňovače s výstupom +15 V a -15 V na piny 4 a 7. Elektródy EKG sú k subjektu pripojené pozitívnym vodičom (G1), ktorý smeruje k ľavému členku, záporný vodič (G2) smeruje k pravému zápästiu a zem (COM) k pravému členku. Ľudský vstup by mal byť na kolíku 3 operačných zosilňovačov v prvom stupni obvodu s kladným vodičom pripojeným na kolík 3 prvého operačného zosilňovača a záporným vodičom spojeným s kolíkom 3 druhého operačného zosilňovača. Zem sa spája so zemou nepájivého poľa. Výstup zosilňovača vychádzajúci z pinu 6 dolnopriepustného filtra je pripojený k doske DAQ. Uistite sa, že ste veľmi tichý a tichý a v LabView by ste mali dostať výstup, ktorý vyzerá podobne ako na obrázku.

Tento signál je evidentne oveľa hlučnejší než perfektný signál simulovaný generátorom funkcií. V dôsledku toho váš srdcový tep veľa skočí, ale mal by kolísať v rozmedzí 60-90 úderov za minútu. A tu to máte! Zábavný spôsob merania vlastnej srdcovej frekvencie vytvorením obvodu a kódovaním softvéru!