Virtuální uživatelské rozhraní EKG a srdeční frekvence: 9 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:24

Pro tento instruktáž vám ukážeme, jak vytvořit obvod pro příjem srdečního tepu a zobrazit jej na virtuálním uživatelském rozhraní (VUI) s grafickým výstupem vašeho srdečního tepu a srdeční frekvence. K analýze a výstupu dat to vyžaduje relativně jednoduchou kombinaci obvodových komponent a softwaru LabView. Nejedná se o zdravotnický prostředek. Toto je pouze pro vzdělávací účely pomocí simulovaných signálů. Pokud používáte tento obvod pro skutečná měření EKG, zajistěte, aby obvod a připojení mezi obvodem a přístrojem používaly správné izolační techniky.

Materiály

Obvod:

• Breadboard:
• Rezistory:
• Kondenzátory:
• Operační zesilovače:
• Obvodové vodiče (součástí odkazu na Breadboard)
• Klipy aligátora
• Banánové akordy
• Agilent E3631A DC napájecí zdroj
• Generátor funkcí
• Osciloskop

LabView:

• Software LabView
• Deska DAQ
• Obvodové dráty
• Izolovaný analogový vstup
• Generátor funkcí

Krok 1: Zjistěte, jaké filtry a zesilovače použít

Aby reprezentovaly signál EKG, byly navrženy a implementovány tři různé stupně obvodu: přístrojový zesilovač, zářezový filtr a dolní propust. Přístrojový zesilovač zesiluje signál, protože při příjmu od subjektu je často velmi malý a špatně viditelný a analyzovatelný. Zářezový filtr se používá k odstranění šumu při 60 Hz, protože signál EKG neobsahuje signály při 60 Hz. Nakonec dolní propust odstraní vyšší frekvence, aby odstranil šum ze signálu, a v kombinaci s filtrem zářezů umožňuje pouze frekvence, které jsou zastoupeny v signálu EKG.

Krok 2: Sestavte přístrojový zesilovač a vyzkoušejte jej

Zesilovač musí mít zisk 1000 V/V a jak je vidět, zesilovač se skládá ze dvou stupňů. Proto musí být zisk rovnoměrně rozdělen mezi dva stupně, přičemž K1 je zisk prvního stupně a K2 je zisk druhého stupně. Určili jsme K1 na 40 a K2 na 25. To jsou přijatelné hodnoty vzhledem k tomu, že když se vynásobí dohromady, získá se zisk 1000 V/V, 40 x 25 = 1000, a mají srovnatelné množství s rozptyl 15 V/V. Pomocí těchto hodnot pro zesílení lze poté vypočítat správné odpory. Pro tyto výpočty se používají následující rovnice:

Fáze 1 zisk: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Zisk fáze 2: K2 = -R4R3 (2)

Libovolně jsme vybrali hodnotu R1, v tomto případě to byla 1 kΩ, a poté jsme následně vyřešili na hodnotu R2. Zapojením těchto předchozích hodnot do rovnice pro zisk fáze 1 získáme:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Je důležité zajistit, aby při výběru odporů byly v rozsahu kOhm, protože platí pravidlo, že čím větší je odpor, tím více energie se může bezpečně rozptýlit, aniž by došlo k poškození. Pokud je odpor příliš malý a proud je příliš velký, dojde k poškození odporu a navíc samotný obvod nebude schopen fungovat. Podle stejného protokolu pro fázi 2 jsme libovolně vybrali hodnotu R3, 1 kΩ a poté vyřešili pro R4. Zapojením předchozích hodnot do rovnice pro zisk stupně 2 získáme: 25 = -R4*1000 ⇒R4 = 25000 Ω

Záporné znaménko je negováno, protože odpory nemohou být záporné. Jakmile budete mít tyto hodnoty, vytvořte následující obvod na obrázku. Pak vyzkoušejte!

Stejnosměrný napájecí zdroj Agilent E3631A napájí operační zesilovače s výstupem +15 V a -15 V na piny 4 a 7. Nastavte generátor funkcí na výstup srdečního průběhu s frekvencí 1 kHz, Vpp 12,7 mV, a offset 0 V. Tento vstup by měl být na pin 3 operačních zesilovačů v prvním stupni obvodu. Výstup zesilovače vycházející z pinu 6 operačního zesilovače druhého stupně je zobrazen na kanálu 1 osciloskopu a je měřeno a zaznamenáváno napětí od špičky k vrcholu. Aby bylo zajištěno, že zesilovač přístrojového vybavení má zisk alespoň 1000 V/V, mělo by být napětí mezi špičkami alespoň 12,7 V.

Krok 3: Vytvořte filtr Notch a otestujte jej

K odstranění šumu o frekvenci 60 Hz z biosignálu je vyžadován zářezový filtr. Kromě tohoto požadavku, protože tento filtr nemusí obsahovat žádné další zesílení, je faktor kvality nastaven na 1. Stejně jako u přístrojového zesilovače jsme nejprve určili hodnoty R1, R2, R3 a C pomocí následujícího návrhu rovnice pro zářezový filtr: R1 = 1/(2Q⍵0C)

R2 = 2Q/(⍵0C)

R3 = R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β = ⍵c2 -⍵c1

Kde Q = faktor kvality

⍵0 = 2πf0 = střední frekvence v rad/s

f0 = střední frekvence v Hz

β = šířka pásma v rad/s

⍵c1, ⍵c2 = mezní frekvence (rad/s)

Libovolně jsme vybrali hodnotu C, v tomto případě to bylo 0,15 µF, a poté jsme následně vyřešili na hodnotu R1. Připojením předchozích hodnot faktoru kvality, středové frekvence a kapacity získáme:

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

Jak bylo uvedeno výše, když diskutujeme o návrhu zesilovače přístrojů, je stále důležité zajistit, aby při řešení odporů byly v rozsahu kOhm, aby nedošlo k poškození obvodu. Pokud je při řešení odporů jeden příliš malý, měla by být změněna hodnota, například kapacita, aby se tak nestalo. Podobně jako řešení rovnice pro R1, R2 a R3 lze vyřešit:

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

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

Navíc vyřešte šířku pásma, abyste ji měli jako teoretickou hodnotu pro srovnání s experimentální hodnotou později:

1 = (2π60)/β⇒β = 47,12 rad/s

Jakmile znáte hodnoty odporu, vytvořte obvod na prkénku.

V tomto bodě má být testován pouze tento stupeň obvodu, takže by neměl být připojen k přístrojovému zesilovači. Stejnosměrný napájecí zdroj Agilent E3631A se používá k napájení operačního zesilovače s výstupem +15 V a -15 V na piny 4 a 7. Funkční generátor je nastaven na výstup sinusového průběhu s počáteční frekvencí 10 Hz, a Vpp 1 V a offset 0 V. Kladný vstup by měl být připojen k R1 a záporný vstup by měl být připojen k zemi. Vstup by měl být také připojen ke kanálu 1 osciloskopu. Výstup zářezového filtru pocházejícího z pinu 6 operačního zesilovače je zobrazen na kanálu 2 osciloskopu. AC rozmítání se měří a zaznamenává změnou frekvence od 10 Hz do 100 Hz. Kmitočet lze zvyšovat po krocích po 10 Hz, dokud nedosáhnete kmitočtu 50. Poté se použijí přírůstky po 2 Hz až do 59 Hz. Jakmile je dosaženo 59 Hz, je třeba provést přírůstky po 0,1 Hz. Poté, po dosažení 60 Hz, lze přírůstky znovu zvýšit. Zaznamená se poměr Vout/Vin a fázový úhel. Pokud poměr Vout/Vin není menší nebo roven -20 dB při 60 Hz, je třeba hodnoty odporu změnit, aby byl tento poměr zajištěn. Z těchto dat je potom sestrojen graf frekvenční odezvy a graf fázové odezvy. Frekvenční odezva by měla vypadat takto v grafu, což dokazuje, že jsou odstraněny frekvence kolem 60 Hz, což je to, co chcete!

Krok 4: Vytvořte dolní propust a otestujte ji

Mezní frekvence dolní propusti je určena jako 150 Hz. Tato hodnota byla zvolena, protože chcete zachovat všechny frekvence přítomné v EKG a zároveň odstranit přebytečný šum, konkrétně zjištěný na vyšších frekvencích. Frekvence vlny T leží v rozmezí od 0 do 10 Hz, vlna P v rozmezí od 5 do 30 Hz a komplex QRS v rozsahu od 8 do 50 Hz. Abnormální komorové vedení je však charakterizováno vyššími frekvencemi, typicky nad 70 Hz. Proto byl jako mezní kmitočet zvolen 150 Hz, abychom zajistili, že můžeme zachytit všechny frekvence, dokonce i ty vyšší, a zároveň odříznout vysokofrekvenční šum. Kromě mezní frekvence 150 Hz je faktor kvality K nastaven na 1, protože není nutné žádné další zesílení. Nejprve jsme určili hodnoty pro R1, R2, R3, R4, C1 a C2 pomocí následujících návrhových rovnic pro dolní propust:

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

R2 = 1/[bC1C2R1⍵c^2]

R3 = K (R1+ R2)/(K -1), když K> 1

R4 = K (R1+R2)

C2 asi 10/fc uF

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

Kde K = zisk

⍵c = mezní frekvence (rad/s)

fc = mezní frekvence (Hz)

a = koeficient filtru = 1,414214

b = koeficient filtru = 1

Protože zisk je 1, R3 je nahrazen otevřeným obvodem a R4 je nahrazen zkratem, což z něj činí napěťový sledovač. Tyto hodnoty proto není nutné řešit. Nejprve jsme řešili pro hodnotu C2. Když do této rovnice vložíme předchozí hodnoty, dostaneme:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Potom lze C1 vyřešit pomocí hodnoty C2.

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

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

Jakmile jsou hodnoty kapacity vyřešeny pro, R1 a R2 lze vypočítat následovně:

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

Se správnými odpory sestavte obvod viděný ve schématu zapojení.

Toto je poslední fáze celkového návrhu a měla by být postavena na prkénku přímo nalevo od zářezového filtru s výstupem zářezového filtru a vstupním napětím pro dolní propust. Tento obvod má být konstruován pomocí stejného prkénka jako dříve, se správně vypočítanými odpory a kapacitami a jedním operačním zesilovačem. Jakmile je obvod sestaven pomocí schématu zapojení na obrázku 3, je testován. V tomto bodě se má testovat pouze tento stupeň, takže by neměl být připojen ani k přístrojovému zesilovači, ani k zářezovému filtru. Proto se stejnosměrný napájecí zdroj Agilent E3631A používá k napájení operačního zesilovače s výstupem +15 a -15 V na piny 4 a 7. Funkční generátor je nastaven na výstup sinusového průběhu s počáteční frekvencí 10 Hz, a Vpp 1 V a offset 0 V. Kladný vstup by měl být připojen k R1 a záporný vstup by měl být připojen k zemi. Vstup by měl být také připojen ke kanálu 1 osciloskopu. Výstup zářezového filtru pocházejícího z pinu 6 operačního zesilovače je zobrazen na kanálu 2 osciloskopu. AC rozmítání se měří a zaznamenává změnou frekvence od 10 Hz do 300 Hz. Kmitočet lze zvýšit o 10 Hz, dokud nedosáhne mezní frekvence 150 Hz. Poté by měla být frekvence zvýšena o 5 Hz, dokud nedosáhne 250 Hz. K dokončení rozmítání lze použít vyšší přírůstky po 10 Hz. Zaznamená se poměr Vout/Vin a fázový úhel. Pokud mezní frekvence není 150 Hz, je třeba hodnoty odporu změnit, aby se zajistilo, že tato hodnota je ve skutečnosti mezní frekvencí. Graf frekvenční odezvy by měl vypadat jako na obrázku, kde můžete vidět, že mezní frekvence je kolem 150 Hz.

Krok 5: Zkombinujte všechny 3 komponenty a simulujte elektrokardiogram (EKG)

Připojte všechny tři stupně přidáním vodiče mezi poslední obvodovou součást předchozí komponenty na začátek další komponenty. Celý obvod je vidět na schématu.

Pomocí generátoru funkcí simulujte další signál EKG podle Pokud by byly součásti sestaveny a připojeny úspěšně, váš výstup na osciloskopu by měl vypadat takto na obrázku.

Krok 6: Nastavení DAQ Board

Nad deskou DAQ je vidět. Připojte jej k zadní části počítače a zapněte jej. Umístěte izolovaný analogový vstup do kanálu 8 desky (ACH 0/8). Vložte dva vodiče do otvorů označených „1“a „2“izolovaného analogového vstupu. Nastavte generátor funkcí na výstup signálu EKG 1 Hz s Vpp 500 mV a ofsetem 0 V. Připojte výstup generátoru funkcí k vodičům umístěným v izolovaném analogovém vstupu.

Krok 7: Otevřete LabView, vytvořte nový projekt a nastavte DAQ Assistant

Otevřete software LabView a vytvořte nový projekt a v rozevírací nabídce souborů otevřete nový VI. Kliknutím pravým tlačítkem na stránku otevřete okno součásti. Vyhledejte „DAQ Assistant Input“a přetáhněte jej na obrazovku. Tím se automaticky vytáhne první okno.

Vyberte Získat signály> Analogový vstup> Napětí. Tím se vytáhne druhé okno.

Vyberte ai8, protože jste vložili izolovaný analogový vstup do kanálu 8. Vyberte Dokončit a otevřete poslední okno.

Změňte režim akvizice na průběžné vzorky, vzorky na čtení na 2 k a rychlost na 1 kHz. Poté v horní části okna vyberte Spustit a měl by se zobrazit výstup podobný výše uvedenému. Pokud je signál EKG invertován, jednoduše přepněte připojení z generátoru funkcí na desku DAQ. To ukazuje, že jste úspěšně získali signál EKG! (Hurá!) Teď to musíte kódovat, abyste to mohli analyzovat!

Krok 8: Code LabView pro analýzu složek signálu EKG a výpočet tepu

V LabView použijte symboly na obrázku

Asistenta DAQ jste již umístili. Asistent DAQ převezme vstupní signál, což je analogový napěťový signál, buď simulovaný funkčním generátorem, nebo přijatý přímo od osoby připojené k vhodně umístěným elektrodám. Poté odebírá tento signál a vede jej A/D převodníkem s kontinuálním vzorkováním a parametry 2000 vzorků, které mají být čteny, se vzorkovací frekvencí 1 kHz a s hodnotami maximálního a minimálního napětí 10 V a -10 V. Tento získaný signál je poté vyveden na graf, aby jej bylo možné vizuálně vidět. Rovněž vezme tento převedený průběh a přidá 5, aby bylo zajištěno, že odpovídá negativnímu offsetu, a poté se vynásobí 200, aby byly píky zřetelnější, větší a snadněji analyzovatelné. Poté určí max a min hodnotu průběhu v daném okně 2,5 sekundy prostřednictvím operandu max/min. Vypočítanou maximální hodnotu je třeba vynásobit procentem, které lze změnit, ale obvykle je 90% (0,9). Tato hodnota je poté přičtena k minimální hodnotě a odeslána do operandu detekce píku jako prahová hodnota. Výsledkem je, že každý bod grafu vlny, který překračuje tuto prahovou hodnotu, je definován jako vrchol a uložen jako pole vrcholů v operátorovi detektoru vrcholů. Toto pole vrcholů je poté odesláno do dvou různých funkcí. Jedna z těchto funkcí přijímá jak špičkové pole, tak výstup křivky operátorem maximální hodnoty. V rámci této funkce dt jsou tyto dva vstupy převedeny na časovou hodnotu pro každý z vrcholů. Druhá funkce se skládá ze dvou indexových operátorů, které přebírají lokalizační výstupy funkce detekce píku a indexují je samostatně, aby získaly polohy 0. píku a 1. píku. Rozdíl mezi těmito dvěma umístěními vypočítá operátor mínus a poté se vynásobí časovými hodnotami získanými z funkce dt. Výsledkem je perioda nebo čas mezi dvěma vrcholy v sekundách. Podle definice 60 děleno obdobím dává BPM. Tato hodnota je potom spuštěna přes absolutní operand, aby se zajistilo, že výstup je vždy kladný, a poté je zaokrouhlena na nejbližší celé číslo. Toto je poslední krok při výpočtu a konečném výstupu srdeční frekvence na stejnou obrazovku jako výstup křivky. Na konci by měl blokový diagram vypadat jako první obrázek.

Po dokončení blokového diagramu, pokud spustíte program, měli byste získat výstup na obrázku.

Krok 9: Zkombinujte obvod a komponenty LabView a zapojte skutečnou osobu

Nyní k zábavné části! Zkombinováním vašeho nádherného okruhu a programu LabView získáte skutečné EKG a vypočítáte jeho srdeční frekvenci. Aby bylo možné upravit obvod tak, aby odpovídal člověku a produkoval životaschopný signál, musí být zisk zesilovače přístrojů snížen na zisk 100. To je způsobeno skutečností, že při připojení k osobě existuje offset, který poté nasycuje operační zesilovač. Snížením zisku se tento problém sníží. Nejprve je zisk prvního stupně zesilovače instrumentace změněn na zisk 4, takže celkový zisk je 100. Poté pomocí rovnice 1 je R2 nastaveno na 19,5 kΩ a R1 je nalezeno následovně:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒ R1 = 13 kΩ Poté se přístrojový zesilovač upraví změnou odporu R1 na 13 kΩ, jak je znázorněno v kroku 2 na dříve postaveném prkénku. Celý obvod je připojen a obvod lze testovat pomocí LabView. Agilent E3631A DC napájecí zdroj napájí operační zesilovače s výstupem +15 V a -15 V na piny 4 a 7. Elektrody EKG jsou připojeny k subjektu s kladným vodičem (G1) směřujícím k levému kotníku, záporný vodič (G2) směřující k pravému zápěstí a zem (COM) k pravému kotníku. Lidský vstup by měl být na pinu 3 operačních zesilovačů v prvním stupni obvodu s kladným vodičem připojeným na pin 3 prvního operačního zesilovače a záporným vodičem připojeným na pin 3 druhého operačního zesilovače. Země se spojuje se zemí prkénka. Výstup zesilovače vycházející z pinu 6 dolního propusti je připojen k desce DAQ. Ujistěte se, že jste velmi tichý a tichý a měli byste získat výstup v LabView, který vypadá podobně jako na obrázku.

Tento signál je zjevně mnohem hlučnější než dokonalý signál simulovaný generátorem funkcí. V důsledku toho se váš srdeční tep hodně posune, ale měl by kolísat s rozsahem 60-90 BPM. A tady to máte! Zábavný způsob měření naší vlastní srdeční frekvence vytvořením obvodu a kódováním nějakého softwaru!