EKG og puls virtuel brugergrænseflade: 9 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:29

Til denne instruktive vil vi vise dig, hvordan du opbygger et kredsløb til at modtage dit hjerteslag og viser det på en virtuel brugergrænseflade (VUI) med en grafisk output af dit hjerteslag og din puls. Dette kræver en relativt enkel kombination af kredsløbskomponenter og softwaren LabView til at analysere og udsende dataene. Dette er ikke et medicinsk udstyr. Dette er kun til uddannelsesmæssige formål ved hjælp af simulerede signaler. Hvis du bruger dette kredsløb til rigtige EKG-målinger, skal du sikre dig, at kredsløbet og kredsløbet til instrumentforbindelserne anvender korrekte isolationsteknikker.

Materialer

Kredsløb:

• Breadboard:
• Modstande:
• Kondensatorer:
• Op -forstærkere:
• Kredsledninger (inkluderet i Breadboard link)
• Alligator klip
• Banan akkorder
• Agilent E3631A DC strømforsyning
• Funktionsgenerator
• Oscilloskop

LabView:

• LabView -software
• DAQ bord
• Kredsløb
• Isoleret analog indgang
• Funktionsgenerator

Trin 1: Bestem, hvilke filtre og forstærkere der skal bruges

For at repræsentere et EKG-signal blev tre forskellige stadier af kredsløbet designet og implementeret: en instrumenteringsforstærker, et hakfilter og et lavpasfilter. Instrumenteringsforstærkeren forstærker signalet, som når det modtages fra et emne ofte er meget lille og svært at se og analysere. Hakfilteret bruges til at fjerne støj ved 60Hz, fordi et EKG -signal ikke indeholder signaler ved 60Hz. Endelig fjerner lavpasfilteret højere frekvenser for at fjerne støj fra signalet og tillader i kombination med hakfilteret kun de frekvenser, der er repræsenteret i et EKG-signal.

Trin 2: Byg instrumentforstærker, og test den

Forstærkeren skal have en forstærkning på 1000 V/V, og som det kan ses, består forstærkeren af to trin. Derfor skal gevinsten fordeles jævnt mellem de to faser, hvor K1 er gevinsten i det første trin og K2 er gevinsten i det andet trin. Vi bestemte K1 til at være 40 og K2 til at være 25. Disse er acceptable værdier på grund af det faktum, at når der multipliceres sammen, opnås en gevinst på 1000 V/V, 40 x 25 = 1000, og de er af tilsvarende mængde, med en varians på 15 V/V. Ved at bruge disse værdier til forstærkningen kan de korrekte modstande derefter beregnes. Følgende ligninger bruges til disse beregninger:

Fase 1: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Fase 2: K2 = -R4R3 (2)

Vi valgte vilkårligt en værdi på R1, i dette tilfælde var den 1 kΩ og derefter efterfølgende løst for værdien af R2. Ved at tilslutte de tidligere værdier til ligningen for trin 1 -gevinsten får vi:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Det er vigtigt at sikre, at når du vælger modstandene, er de i kOhm -området på grund af tommelfingerreglen, at jo større modstanden er, jo mere effekt kan sikkert forsvinde uden at lide skade. Hvis modstanden er for lille, og der er for stor en strøm, vil der være beskadigelse af modstanden, og ydermere vil selve kredsløbet ikke kunne fungere. Efter den samme protokol for trin 2 valgte vi vilkårligt en værdi på R3, 1 kΩ og derefter løst for R4. Ved at tilslutte de tidligere værdier til ligningen for trin 2 -forstærkningen får vi: 25 = -R4*1000 ⇒R4 = 25000 Ω

Det negative tegn negeres, da modstande ikke kan være negative. Når du har disse værdier, skal du opbygge følgende kredsløb på billedet. Så test det!

Agilent E3631A DC -strømforsyningen driver driftsforstærkerne med en udgang på +15 V og -15 V, der går til ben 4 og 7. Indstil funktionsgeneratoren til at udsende en hjertebølgeform med en frekvens på 1 kHz, en Vpp på 12,7 mV, og en forskydning på 0 V. Denne indgang skal være til pin 3 på operationsforstærkerne i kredsløbets første fase. Forstærkerens output, der kommer fra pin 6 i operationsforstærkeren i det andet trin, vises på oscilloskopets kanal 1, og spændingen peak-to-peak måles og registreres. For at sikre, at instrumenteringsforstærkeren har en forstærkning på mindst 1000 V/V, skal spændingen peak-to-peak være mindst 12,7 V.

Trin 3: Byg Notch Filter og test det

Hakfilteret er påkrævet for at fjerne 60 Hz støj fra biosignalet. Ud over dette krav, fordi dette filter ikke behøver at omfatte yderligere forstærkning, er kvalitetsfaktoren sat til 1. Som med instrumentforstærkeren bestemte vi først værdierne for R1, R2, R3 og C ved hjælp af følgende design ligninger for et hakfilter: R1 = 1/(2Q⍵0C)

R2 = 2Q/(⍵0C)

R3 = R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β = ⍵c2 -⍵c1

Hvor Q = kvalitetsfaktor

⍵0 = 2πf0 = centerfrekvens i rad/sek

f0 = centerfrekvens i Hz

β = båndbredde i rad/sek

⍵c1, ⍵c2 = afskæringsfrekvenser (rad/sek)

Vi valgte vilkårligt en værdi af C, i dette tilfælde var den 0,15 µF og derefter efterfølgende løst for værdien R1. Ved at tilslutte de tidligere anførte værdier for kvalitetsfaktor, centerfrekvens og kapacitans får vi:

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

Som nævnt ovenfor, når vi diskuterer konstruktionen af instrumenteringsforstærkeren, er det stadig vigtigt at sikre sig, at når de løser for modstandene, at de er i kOhm -området, så der ikke sker skade på kredsløbet. Hvis man ved løsning af modstandene er for lille, bør en værdi ændres, f.eks. Kapacitansen, for at sikre, at dette ikke sker. På samme måde som løsning af ligningen for R1, R2 og R3 kan løses:

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

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

Derudover skal du løse båndbredden for at have den som en teoretisk værdi at sammenligne med den eksperimentelle værdi senere:

1 = (2π60)/β⇒β = 47,12 rad/sek

Når du ved, bygger modstandsværdierne kredsløb på brødbrættet.

Kun dette trin i kredsløbet skal testes på dette tidspunkt, så det bør ikke tilsluttes instrumentforstærkeren. Agilent E3631A DC -strømforsyningen bruges til at drive driftsforstærkeren med en udgang på +15 V og -15 V til ben 4 og 7. Funktionsgeneratoren er indstillet til at udsende en sinusformet bølgeform med en startfrekvens på 10 Hz, en Vpp på 1 V og en forskydning på 0 V. Den positive indgang skal tilsluttes R1, og den negative indgang skal tilsluttes jord. Inputen skal også tilsluttes oscilloskopets kanal 1. Outputtet fra hakfilteret, der kommer fra pin 6 i operationsforstærkeren, vises på oscilloskopets kanal 2. En vekselstrømsmåler måles og registreres ved at variere frekvensen fra 10 Hz til 100 Hz. Frekvensen kan øges med trin på 10 Hz, indtil den når en frekvens på 50. Derefter bruges trin på 2 Hz indtil 59 Hz. Når 59 Hz er nået, bør trin på 0,1 Hz tages. Efter at 60 Hz er nået, kan trinene igen øges. Vout/Vin -forholdet og fasevinklen skal registreres. Hvis Vout/Vin -forholdet ikke er mindre end eller lig med -20 dB ved 60 Hz, skal modstandsværdierne ændres for at sikre dette forhold. Et frekvensresponsplot og faseresponsplot konstrueres derefter ud fra disse data. Frekvensresponsen skal se sådan ud i grafen, hvilket beviser at frekvenser omkring 60Hz fjernes, hvilket er hvad du vil!

Trin 4: Byg lavpasfilter og test det

Lavpasfilterets afskæringsfrekvens bestemmes til 150 Hz. Denne værdi blev valgt, fordi du vil beholde alle de frekvenser, der er til stede i EKG, mens du fjerner den overskydende støj, der specifikt findes ved højere frekvenser. Frekvensen af T-bølgen ligger i området fra 0-10 Hz, P-bølgen i området fra 5-30 Hz og QRS-komplekset i området 8-50 Hz. Imidlertid er unormal ventrikulær ledning karakteriseret ved højere frekvenser, typisk over 70 Hz. Derfor blev 150 Hz valgt som afbrydelsesfrekvens for at sikre, at vi kan fange alle frekvenser, selv de højere frekvenser, mens vi afbryder højfrekvensstøj. Ud over 150 Hz -afbrydelsesfrekvensen er kvalitetsfaktoren, K, indstillet til 1, fordi der ikke er behov for yderligere forstærkning. Vi bestemte først værdierne for R1, R2, R3, R4, C1 og C2 ved hjælp af følgende designligninger for et lavpasfilter:

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

R2 = 1/[bC1C2R1⍵c^2]

R3 = K (R1+ R2)/(K -1) når K> 1

R4 = K (R1+R2)

C2 ca. 10/fc uF

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

Hvor K = forstærkning

⍵c = cutoff -frekvens (rad/sek)

fc = afbrydelsesfrekvens (Hz)

a = filterkoefficient = 1.414214

b = filterkoefficient = 1

Fordi forstærkningen er 1, erstattes R3 af et åbent kredsløb, og R4 erstattes af en kortslutning, der gør den til en spændingsfølger. Derfor skal disse værdier ikke løses. Vi løste først for værdien af C2. Ved at tilslutte de tidligere værdier til denne ligning får vi:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Derefter kan C1 løses ved hjælp af værdien af C2.

C1 <(0,047x10^-6) [1.414214^2 + 4 (1) (1 -1)]/4 (1)

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

Når kapacitansværdierne er blevet løst for, kan R1 og R2 beregnes som følger:

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

Med de rigtige modstande kan du bygge kredsløbet set i kredsløbsdiagrammet.

Dette er det sidste trin i det overordnede design og skal bygges på brødbrættet direkte til venstre for hakfilteret med output fra hakfilteret og indgangsspændingen for lavpasfilteret. Dette kredsløb skal konstrueres ved hjælp af det samme brødbræt som tidligere med de korrekt beregnede modstande og kapacitanser og en operationsforstærker. Når kredsløbet er bygget ved hjælp af kredsløbsdiagrammet i figur 3, testes det. Kun dette trin skal testes på dette tidspunkt, så det bør ikke tilsluttes hverken instrumenteringsforstærkeren eller hakfilteret. Derfor bruges Agilent E3631A DC -strømforsyningen til at drive operationsforstærkeren med en udgang på +15 og -15 V, der går til ben 4 og 7. Funktionsgeneratoren er indstillet til at udsende en sinusformet bølgeform med en startfrekvens på 10 Hz, en Vpp på 1 V og en forskydning på 0 V. Den positive indgang skal tilsluttes R1, og den negative indgang skal tilsluttes jord. Inputen skal også tilsluttes oscilloskopets kanal 1. Outputtet fra hakfilteret, der kommer fra pin 6 i operationsforstærkeren, vises på kanal 2 i oscilloskopet. En vekselstrømsmåler måles og registreres ved at variere frekvensen fra 10 Hz til 300 Hz. Frekvensen kan øges med trin på 10 Hz, indtil afslutningsfrekvensen på 150 Hz nås. Derefter bør frekvensen øges med 5 Hz, indtil den når 250 Hz. Højere trin på 10 Hz kan bruges til at afslutte fejningen. Vout/Vin -forholdet og fasevinklen registreres. Hvis afskæringsfrekvensen ikke er 150 Hz, skal modstandsværdierne ændres for at sikre, at denne værdi faktisk er afskæringsfrekvensen. Frekvensresponsplottet skal ligne billedet, hvor du kan se, at afskæringsfrekvensen er omkring 150Hz.

Trin 5: Kombiner alle 3 komponenter og simuler elektrokardiogram (EKG)

Forbind alle tre trin ved at tilføje en ledning mellem den sidste kredsløbskomponent i den forrige komponent til begyndelsen af den næste komponent. Det fulde kredsløb ses i diagrammet.

Brug funktionsgeneratoren til at simulere et andet EKG -signal ved Hvis komponenterne blev bygget og tilsluttet korrekt, skulle dit output på oscilloskopet se sådan ud på billedet.

Trin 6: Opsætning af DAQ Board

Over DAQ -tavlen kan ses. Slut den til bagsiden af computeren for at tænde den, og placer den isolerede analoge indgang i kanal 8 på kortet (ACH 0/8). Sæt to ledninger i hullerne mærket '1' og '2' i den isolerede analoge indgang. Konfigurer funktionsgeneratoren til at udsende et EKG -signal på 1Hz med en Vpp på 500mV og en forskydning på 0V. Tilslut output fra funktionsgeneratoren til de ledninger, der er placeret i den isolerede analoge indgang.

Trin 7: Åbn LabView, Opret et nyt projekt og konfigurer DAQ Assistant

Åbn LabView -softwaren, og opret et nyt projekt, og åbn et nyt VI under rullemenuen fil. Højreklik på siden for at åbne et komponentvindue. Søg efter 'DAQ Assistant Input' og træk den ind på skærmen. Dette vil automatisk trække det første vindue op.

Vælg Hent signaler> Analog indgang> Spænding. Dette vil trække det andet vindue op.

Vælg ai8, fordi du har sat din Isolated Analog Input i kanal 8. Vælg Finish for at trække det sidste vindue op.

Skift erhvervelsestilstand til kontinuerlige prøver, prøverne til læsning til 2k og frekvensen til 1kHz. Vælg derefter Kør øverst i dit vindue, og en output som den, der ses ovenfor, skal dukke op. Hvis EKG -signalet er inverteret, skal du blot skifte forbindelser fra funktionsgeneratoren til DAQ -kortet rundt. Dette viser, at du med succes får et EKG -signal! (Yay!) Nu skal du kode det for at analysere det!

Trin 8: Kode LabView til analyse af komponenter i EKG -signal og beregning af hjerteslag

Brug symbolerne på billedet i LabView

Du har allerede placeret DAQ Assistant. DAQ Assistant tager indgangssignalet, som er et analogt spændingssignal, enten simuleret af en funktionsgenerator eller modtaget direkte fra en person, der er tilsluttet korrekt placerede elektroder. Det tager derefter dette signal og kører det gennem en A/D -omformer med kontinuerlig sampling og parametre for 2000 prøver, der skal læses, en 1 kHz samplingshastighed og med max og min spændingsværdier på henholdsvis 10V og -10V. Dette indsamlede signal udsendes derefter på en graf, så det kan ses visuelt. Den tager også denne konverterede bølgeform og tilføjer 5 for at sikre, at den tegner sig for en negativ forskydning og derefter multipliceres med 200 for at gøre toppene mere tydelige, større og lettere at analysere. Det bestemmer derefter max- og min -værdien af bølgeformen inden for det givne vindue på 2,5 sekunder gennem max/min -operanden. Den beregnede maxværdi skal ganges med en procentdel, der kan ændres, men er normalt 90% (0,9). Denne værdi tilføjes derefter til min -værdien og sendes til topdetekteringsoperanden som tærsklen. Som følge heraf defineres hvert punkt i kurven, der overskrider denne tærskel, som en top og gemmes som en række toppe i topdetektoroperatøren. Denne række af toppe sendes derefter til to forskellige funktioner. En af disse funktioner modtager både topmatrix og bølgeformoutput af operatøren af maks. Værdi. Inden for denne funktion, dt, konverteres disse to input til en tidsværdi for hver af toppene. Den anden funktion består af to indeksoperatorer, der tager lokalitetsoutputene for spidsdetekteringsfunktionen og indekserer dem separat for at opnå placeringen af den 0. top og den første top. Forskellen mellem disse to placeringer beregnes af minusoperatoren og ganges derefter med tidsværdierne opnået fra dt -funktionen. Dette udsender perioden eller tiden mellem to toppe på sekunder. Per definition giver 60 divideret med perioden BPM. Denne værdi køres derefter gennem en absolut operand for at sikre, at output altid er positivt og derefter afrundes til det nærmeste hele tal. Dette er det sidste trin i beregning og endelig udsendelse af pulsen på den samme skærm som bølgeformens output. I slutningen er det sådan, blokdiagrammet skal se ud som det første billede.

Efter at have gennemført blokdiagrammet, hvis du kører programmet, skal du få output vist på billedet.

Trin 9: Kombiner kredsløbet og LabView -komponenterne og tilslut en rigtig person

Nu til den sjove del! Kombinerer dit smukke kredsløb og LabView -programmet for at erhverve et ægte EKG og beregne dets puls. For at ændre kredsløbet for at overholde et menneske og producere et levedygtigt signal, skal forstærkning af instrumentforstærkeren reduceres til en forstærkning på 100. Dette skyldes det faktum, at når der er tilsluttet en person, er der en forskydning, som mætter derefter operationsforstærkeren. Ved at sænke gevinsten reducerer dette problem. For det første ændres forstærkningen i den første fase af instrumentforstærkeren til en forstærkning på 4, så den samlede forstærkning er 100. Derefter ved hjælp af ligning 1 er R2 sat til 19,5 kΩ, og R1 findes som følger:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 kΩ Derefter ændres instrumentforstærkeren ved at ændre modstanden på R1 til 13 kΩ som vist i trin 2 på det tidligere indbyggede brødbræt. Hele kredsløbet er forbundet, og kredsløbet kan testes ved hjælp af LabView. Agilent E3631A DC -strømforsyningen driver driftsforstærkerne med en udgang på +15 V og -15 V til ben 4 og 7. EKG -elektroderne er forbundet til motivet med den positive ledning (G1) til venstre ankel, negativ bly (G2) går til højre håndled, og jorden (COM) går til højre ankel. Den menneskelige input bør være til pin 3 af operationsforstærkerne i kredsløbets første fase med den positive ledning forbundet til pin 3 i den første operationsforstærker og den negative ledning forbundet til pin 3 i den anden operationsforstærker. Jorden forbinder jorden med brødbrættet. Forstærkerens output, der kommer fra pin 6 i lavpasfilteret, er fastgjort til DAQ-kortet. Sørg for at være meget stille og stille, og du bør få et output i LabView, der ligner det på billedet.

Dette signal er naturligvis langt mere støjende end det perfekte signal simuleret af funktionsgeneratoren. Som følge heraf vil din puls hoppe meget rundt, men bør svinge med en rækkevidde på 60-90 BPM. Og der har du det! En sjov måde at måle vores egen puls ved at bygge et kredsløb og kode noget software!