EKG ir širdies ritmo virtuali vartotojo sąsaja: 9 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:49

Norėdami tai padaryti, parodysime, kaip sukurti grandinę, kad gautumėte širdies plakimą ir parodytumėte ją virtualioje vartotojo sąsajoje (VUI) su grafine jūsų širdies plakimo ir širdies ritmo išvestimi. Tam reikia palyginti paprasto grandinės komponentų ir programinės įrangos „LabView“derinio duomenims analizuoti ir išvesti. Tai nėra medicinos prietaisas. Tai tik švietimo tikslais, naudojant imituotus signalus. Jei naudojate šią grandinę tikriems EKG matavimams, įsitikinkite, kad grandinėje ir grandinės ir prietaiso jungtyse naudojami tinkami izoliacijos būdai.

Medžiagos

Grandinė:

• Duonos lenta:
• Rezistoriai:
• Kondensatoriai:
• „Op Amps“:
• Grandinės laidai (įtraukti į „Breadboard“nuorodą)
• Aligatoriaus spaustukai
• Bananų akordai
• Agilent E3631A nuolatinės srovės maitinimo šaltinis
• Funkcijų generatorius
• Osciloskopas

„LabView“:

• „LabView“programinė įranga
• DAQ lenta
• Grandinės laidai
• Izoliuota analoginė įvestis
• Funkcijų generatorius

1 žingsnis: nustatykite, kokius filtrus ir stiprintuvus naudoti

Siekiant pavaizduoti EKG signalą, buvo suprojektuoti ir įgyvendinti trys skirtingi grandinės etapai: prietaisų stiprintuvas, išpjovos filtras ir žemo dažnio filtras. Prietaisų stiprintuvas sustiprina signalą, nes gautas iš objekto dažnai yra labai mažas ir sunkiai matomas bei analizuojamas. Įpjovos filtras naudojamas 60 Hz dažniui pašalinti, nes EKG signalas neturi 60 Hz dažnio signalų. Galiausiai žemo dažnio filtras pašalina aukštesnius dažnius, kad pašalintų triukšmą iš signalo, ir kartu su išpjovos filtru leidžia tik tuos dažnius, kurie pavaizduoti EKG signale.

2 žingsnis: Sukurkite instrumentų stiprintuvą ir išbandykite

Stiprintuvas turi turėti 1000 V/V stiprinimą ir, kaip matyti, stiprintuvą sudaro dvi pakopos. Todėl pelnas turi būti tolygiai paskirstytas tarp dviejų etapų: K1 yra pirmojo etapo pelnas, o K2 - antrojo etapo pelnas. Mes nustatėme, kad K1 yra 40, o K2 - 25. Tai priimtinos vertės dėl to, kad padauginus kartu, gaunamas 1000 V/V padidėjimas, 40 x 25 = 1000, ir jie yra panašaus dydžio, su 15 V/V dispersija. Naudojant šias vertes padidėjimui, galima apskaičiuoti tinkamas varžas. Šiems skaičiavimams naudojamos šios lygtys:

1 etapo padidėjimas: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

2 pakopos padidėjimas: K2 = -R4R3 (2)

Mes savavališkai pasirinkome R1 reikšmę, šiuo atveju ji buvo 1 kΩ, o vėliau išsprendėme R2 vertę. Prijungę tas ankstesnes reikšmes į 1 pakopos stiprinimo lygtį, gauname:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Svarbu užtikrinti, kad renkantis varžą jie būtų kOhm diapazone dėl taisyklės, kad kuo didesnis rezistorius, tuo didesnė galia gali saugiai išsisklaidyti, nepažeidžiant. Jei pasipriešinimas yra per mažas ir srovė per didelė, rezistorius bus pažeistas, be to, pati grandinė negalės veikti. Vadovaudamiesi tuo pačiu 2 etapo protokolu, mes savavališkai pasirinkome R3, 1 kΩ vertę ir tada išsprendėme R4. Prijungę ankstesnes reikšmes į 2 pakopos stiprinimo lygtį, gauname: 25 = -R4*1000 ⇒R4 = 25000 Ω

Neigiamas ženklas neigiamas, nes pasipriešinimas negali būti neigiamas. Kai turėsite šias vertes, sukurkite šią schemą, pavaizduotą paveikslėlyje. Tada išbandykite!

„Agilent E3631A“nuolatinės srovės maitinimo šaltinis maitina operacinius stiprintuvus, kurių išėjimas yra +15 V ir -15 V, jungiantis prie 4 ir 7 kaiščių. ir poslinkis 0 V. Ši įvestis turėtų būti prijungta prie operacinių stiprintuvų 3 kaiščio pirmoje grandinės pakopoje. Stiprintuvo išėjimas, gaunamas iš antrojo etapo operacinio stiprintuvo 6 kaiščio, rodomas osciloskopo 1 kanale, o įtampa nuo smailės iki piko matuojama ir registruojama. Siekiant užtikrinti, kad prietaisų stiprintuvo stiprinimas būtų ne mažesnis kaip 1000 V/V, įtampa nuo smailės iki smailės turėtų būti ne mažesnė kaip 12,7 V.

3 žingsnis: sukurkite išpjovos filtrą ir išbandykite

Įpjovos filtras reikalingas 60 Hz triukšmui pašalinti iš biosignalo. Be šio reikalavimo, kadangi į šį filtrą nereikia įtraukti jokio papildomo stiprinimo, kokybės koeficientas nustatomas į 1. Kaip ir su prietaisų stiprintuvu, pirmiausia nustatėme R1, R2, R3 ir C vertes pagal šią schemą įpjovos filtro lygtys: R1 = 1/(2Q⍵0C)

R2 = 2Q/(⍵0C)

R3 = R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β = ⍵c2 -⍵c1

Kur Q = kokybės veiksnys

⍵0 = 2πf0 = centro dažnis rad/sek

f0 = centro dažnis Hz

β = pralaidumas rad/sek

⍵c1, ⍵c2 = ribiniai dažniai (rad/sek)

Mes savavališkai pasirinkome C vertę, šiuo atveju ji buvo 0, 15 µF, o vėliau išsprendėme R1 vertę. Prijungę ankstesnes kokybės koeficiento, centro dažnio ir talpos vertes, gauname:

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

Kaip minėta aukščiau, aptariant prietaisų stiprintuvo konstrukciją, vis tiek svarbu įsitikinti, kad sprendžiant dėl varžų, kurios yra kOhm diapazone, kad nebūtų padaryta žala grandinei. Jei sprendžiant varžų skaičių vienas yra per mažas, vertę, pvz., Talpą, reikia pakeisti, kad taip neatsitiktų. Panašiai kaip išspręsti R1, R2 ir R3 lygtį, galima išspręsti:

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

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

Be to, išspręskite dažnių juostos plotį, kad vėliau jį būtų galima teoriškai palyginti su eksperimentine verte:

1 = (2π60)/β⇒β = 47,12 rad/sek

Kai žinosite varžos vertes, sukurkite grandinę ant duonos lentos.

Šiuo metu reikia išbandyti tik šį grandinės etapą, todėl jis neturėtų būti prijungtas prie prietaisų stiprintuvo. „Agilent E3631A“nuolatinės srovės maitinimo šaltinis naudojamas maitinti operacinį stiprintuvą, kurio išėjimas yra +15 V ir -15 V, jungiantis prie 4 ir 7 kaiščių. Funkcijų generatorius nustatytas išvesti sinusinę bangos formą, kurios pradinis dažnis yra 10 Hz, a Vpp 1 V, o poslinkis 0 V. Teigiamas įėjimas turi būti prijungtas prie R1, o neigiamas įėjimas - prie žemės. Įvestis taip pat turėtų būti prijungta prie osciloskopo 1 kanalo. Įpjovos filtro išėjimas, gaunamas iš operacinio stiprintuvo 6 kaiščio, rodomas osciloskopo 2 kanale. Kintamosios srovės srautas matuojamas ir registruojamas keičiant dažnį nuo 10 Hz iki 100 Hz. Dažnis gali būti padidintas 10 Hz žingsniais, kol pasiekiamas 50. Tada 2 Hz žingsniai naudojami iki 59 Hz. Pasiekus 59 Hz, reikia didinti 0,1 Hz žingsnius. Tada, pasiekus 60 Hz, žingsnius galima dar kartą padidinti. Turi būti registruojamas Vout/Vin santykis ir fazės kampas. Jei Vout/Vin santykis esant 60 Hz dažniui yra ne mažesnis arba lygus -20 dB, norint užtikrinti šį santykį, reikia pakeisti varžos vertes. Tada iš šių duomenų sudaromas dažnio atsako ir fazės atsako grafikas. Dažnio atsakas turėtų atrodyti taip, kaip parodyta diagramoje, o tai įrodo, kad maždaug 60 Hz dažniai yra pašalinami, o tai yra tai, ko norite!

4 žingsnis: sukurkite žemo dažnio filtrą ir išbandykite

Žemo dažnio filtro išjungimo dažnis nustatomas kaip 150 Hz. Ši vertė pasirinkta todėl, kad norite išlaikyti visus EKG esančius dažnius, pašalindami triukšmo perteklių, ypač esant aukštesniems dažniams. T bangos dažnis yra nuo 0 iki 10 Hz, P banga-nuo 5 iki 30 Hz, o QRS kompleksas-nuo 8 iki 50 Hz. Tačiau nenormaliam skilvelių laidumui būdingi didesni dažniai, paprastai virš 70 Hz. Todėl 150 Hz buvo pasirinktas kaip ribinis dažnis, siekiant užtikrinti, kad galėtume užfiksuoti visus dažnius, net ir aukštesnius, tuo pačiu nutraukdami aukšto dažnio triukšmą. Be 150 Hz išjungimo dažnio, kokybės koeficientas K yra nustatytas į 1, nes tolesnio stiprinimo nereikia. Pirmiausia nustatėme R1, R2, R3, R4, C1 ir C2 vertes, naudodami šias žemojo dažnio filtro projektines lygtis:

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

R2 = 1/[bC1C2R1⍵c^2]

R3 = K (R1+ R2)/(K -1), kai K> 1

R4 = K (R1+R2)

C2 apie 10/fc uF

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

Kur K = pelnas

⍵c = ribinis dažnis (rad/sek)

fc = ribinis dažnis (Hz)

a = filtro koeficientas = 1,414214

b = filtro koeficientas = 1

Kadangi padidėjimas yra 1, R3 pakeičiama atvira grandine, o R4 - trumpuoju jungimu, todėl jis tampa įtampos sekėju. Todėl tų vertybių nereikia spręsti. Pirmiausia išsprendėme C2 vertę. Įjungę ankstesnes vertes į šią lygtį, gauname:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Tada C1 galima išspręsti naudojant C2 reikšmę.

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

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

Išsprendus talpos reikšmes, R1 ir R2 galima apskaičiuoti taip:

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

Esant tinkamoms varžoms, sukurkite grandinę, matomą grandinės schemoje.

Tai paskutinis bendro dizaino etapas ir turėtų būti pastatytas ant duonos lentos tiesiai į kairę nuo įpjovos filtro su išpjovos filtro išvestimi ir žemo dažnio filtro įėjimo įtampa. Ši grandinė turi būti sukurta naudojant tą pačią duonos lentą, kaip ir anksčiau, su teisingai apskaičiuotomis varžomis ir talpomis bei vienu operaciniu stiprintuvu. Sukūrus grandinę, naudojant 3 paveiksle pateiktą schemą, ji išbandoma. Šiuo metu reikia išbandyti tik šį etapą, todėl jis neturėtų būti prijungtas prie prietaisų stiprintuvo ar išpjovos filtro. Todėl „Agilent E3631A“nuolatinės srovės maitinimo šaltinis naudojamas maitinti operacinį stiprintuvą, kurio išėjimas yra +15 ir -15 V, einantį į 4 ir 7 kaiščius. Funkcijų generatorius nustatytas išvesti sinusinę bangos formą, kurios pradinis dažnis yra 10 Hz a Vpp 1 V, o poslinkis 0 V. Teigiamas įėjimas turi būti prijungtas prie R1, o neigiamas įėjimas - prie žemės. Įvestis taip pat turėtų būti prijungta prie osciloskopo 1 kanalo. Įpjovos filtro išėjimas, gaunamas iš operacinio stiprintuvo 6 kaiščio, rodomas osciloskopo 2 kanale. Kintamosios srovės srautas matuojamas ir registruojamas keičiant dažnį nuo 10 Hz iki 300 Hz. Dažnis gali būti padidintas 10 Hz žingsniais, kol bus pasiektas 150 Hz ribinis dažnis. Tada dažnis turėtų būti padidintas 5 Hz iki 250 Hz. Norėdami baigti šlavimą, galite naudoti didesnius 10 Hz žingsnius. Įrašomas Vout/Vin santykis ir fazės kampas. Jei ribinis dažnis nėra 150 Hz, reikia pakeisti varžos vertes, kad būtų užtikrinta, jog ši vertė iš tikrųjų yra ribinis dažnis. Dažnio atsako schema turėtų atrodyti kaip paveikslėlis, kuriame matote, kad ribinis dažnis yra apie 150 Hz.

5 veiksmas: sujunkite visus 3 komponentus ir imituokite elektrokardiogramą (EKG)

Prijunkite visus tris etapus pridedant laidą tarp paskutinio ankstesnio komponento grandinės komponento prie kito komponento pradžios. Visa grandinė parodyta diagramoje.

Naudodami funkcijų generatorių, imituokite kitą EKG signalą, jei komponentai buvo sėkmingai sukurti ir prijungti, osciloskopo išvestis turėtų atrodyti taip, kaip parodyta paveikslėlyje.

6 veiksmas: nustatykite DAQ plokštę

Virš DAQ lentos galima pamatyti. Prijunkite jį prie kompiuterio galo, kad įjungtumėte maitinimą, ir įdėkite izoliuotą analoginę įvestį į plokštės 8 kanalą (ACH 0/8). Įkiškite du laidus į skyles, pažymėtas „1“ir „2“izoliuotoje analoginėje įvestyje. Nustatykite funkcijų generatorių, kad jis išvestų 1 Hz EKG signalą su 500 mV Vpp ir 0 V poslinkiu. Prijunkite funkcijų generatoriaus išvestį prie laidų, esančių izoliuotame analoginiame įėjime.

7 veiksmas: atidarykite „LabView“, sukurkite naują projektą ir nustatykite „DAQ Assistant“

Atidarykite „LabView“programinę įrangą ir sukurkite naują projektą ir atidarykite naują VI failo išskleidžiamajame meniu. Dešiniuoju pelės mygtuku spustelėkite puslapį, kad atidarytumėte komponentų langą. Ieškokite „DAQ Assistant Input“ir vilkite jį į ekraną. Tai automatiškai iškels pirmąjį langą.

Pasirinkite Įsigyti signalus> Analoginė įvestis> Įtampa. Tai pakels antrą langą.

Pasirinkite ai8, nes izoliuotą analoginę įvestį įvedėte į 8 kanalą. Norėdami baigti paskutinį langą, pasirinkite Baigti.

Pakeiskite įgijimo režimą į nuolatinius mėginius, mėginius skaityti į 2k ir dažnį į 1kHz. Tada lango viršuje pasirinkite Vykdyti ir turėtų būti rodoma tokia išvestis, kaip parodyta aukščiau. Jei EKG signalas yra apverstas, tiesiog perjunkite jungtis nuo funkcijų generatoriaus prie DAQ plokštės. Tai rodo, kad sėkmingai gaunate EKG signalą! (Yay!) Dabar, norėdami jį išanalizuoti, turite jį koduoti!

8 veiksmas: „Code LabView“, norėdami išanalizuoti EKG signalo komponentus ir apskaičiuoti širdies plakimą

Naudokite „LabView“paveikslėlyje esančius simbolius

Jūs jau įdėjote DAQ asistentą. „DAQ Assistant“ima įvesties signalą, kuris yra analoginis įtampos signalas, imituojamas funkcijų generatoriaus arba gaunamas tiesiogiai iš asmens, prijungto prie tinkamai pritvirtintų elektrodų. Tada jis paima šį signalą ir paleidžia jį per A/D keitiklį, nuolat imdamas mėginius ir nuskaitydamas 2000 mėginių parametrus, 1 kHz dažnio ėmimo dažnį ir esant maksimaliai ir min. Įtampai atitinkamai 10V ir -10V. Tada šis gautas signalas išvedamas grafike, kad jį būtų galima vizualiai pamatyti. Ji taip pat paima šią konvertuotą bangos formą ir prideda 5, kad užtikrintų neigiamą poslinkį, o tada padauginama iš 200, kad smailės taptų ryškesnės, didesnės ir lengviau analizuojamos. Tada jis nustato maksimalią ir minimalią bangos formos vertę per nurodytą 2,5 sekundės langą per max/min operandą. Didžiausią apskaičiuotą vertę reikia padauginti iš procentinio dydžio, kurį galima pakeisti, bet paprastai jis yra 90% (0,9). Tada ši vertė pridedama prie min. Vertės ir siunčiama į piko aptikimo operandą kaip slenkstis. Dėl to kiekvienas bangos formos grafiko taškas, viršijantis šią ribą, apibrėžiamas kaip smailė ir išsaugomas kaip smailių masyvas smailių detektoriaus operatoriuje. Tada šis smailių masyvas siunčiamas į dvi skirtingas funkcijas. Viena iš šių funkcijų gauna maksimalios vertės operatorių ir piko masyvą, ir bangos formos išvestį. Atliekant šią funkciją, dt, šie du įėjimai paverčiami kiekvienos smailės laiko verte. Antrąją funkciją sudaro du indeksų operatoriai, kurie paima smailių aptikimo funkcijos vietos išvestis ir indeksuoja juos atskirai, kad gautų 0 -osios ir 1 -osios smailės vietas. Skirtumą tarp šių dviejų vietų apskaičiuoja minuso operatorius, tada jis padauginamas iš laiko reikšmių, gautų naudojant funkciją dt. Tai parodo laikotarpį arba laiką tarp dviejų smailių sekundėmis. Pagal apibrėžimą 60, padalytas iš laikotarpio, suteikia BPM. Tada ši reikšmė pervedama per absoliučią operandą, kad įsitikintumėte, jog išvestis visada yra teigiama, ir tada suapvalinama iki artimiausio sveiko skaičiaus. Tai yra paskutinis žingsnis apskaičiuojant ir pagaliau išvedant širdies ritmą į tą patį ekraną kaip ir bangos formos išėjimas. Pabaigoje blokinė schema turėtų atrodyti kaip pirmasis vaizdas.

Baigę blokinę schemą, jei paleisite programą, turėtumėte gauti išvestį.

9 veiksmas: sujunkite grandinę ir „LabView“komponentus ir prijunkite prie tikro žmogaus

Dabar linksma dalis! Sujungę gražią grandinę ir „LabView“programą, kad gautumėte tikrą EKG ir apskaičiuotumėte jos širdies ritmą. Norint modifikuoti grandinę, kad ji atitiktų žmogų ir gautų gyvybingą signalą, prietaisų stiprintuvo stiprinimas turi būti sumažintas iki 100. Taip yra dėl to, kad prijungus prie žmogaus, yra poslinkis, kuris tada prisotina operacinį stiprintuvą. Sumažinus pelną, tai sumažins šią problemą. Pirma, prietaisų stiprintuvo pirmojo etapo stiprinimas pakeičiamas iki 4, kad bendras padidėjimas būtų 100. Tada, naudojant 1 lygtį, R2 yra nustatytas kaip 19,5 kΩ, o R1 yra taip:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 kΩ Tada prietaisų stiprintuvas modifikuojamas keičiant R1 varžą iki 13 kΩ, kaip parodyta 2 žingsnyje anksčiau pastatytoje duonos plokštėje. Visa grandinė prijungta ir grandinę galima išbandyti naudojant „LabView“. „Agilent E3631A“nuolatinės srovės maitinimo šaltinis maitina operacinius stiprintuvus, kurių išėjimas yra +15 V ir -15 V, einantis į 4 ir 7 kaiščius. EKG elektrodai yra prijungti prie objekto, kai teigiamas laidas (G1) eina į kairę kulkšnį, neigiamas švinas (G2) eina į dešinįjį riešą, o žemė (COM) - į dešinę kulkšnį. Žmogaus įvestis turėtų būti prijungta prie operacinių stiprintuvų 3 kaiščio pirmoje grandinės pakopoje, kai teigiamas laidas prijungtas prie pirmojo operacinio stiprintuvo 3 kaiščio, o neigiamas laidas prijungtas prie antrojo operacinio stiprintuvo 3 kaiščio. Žemė jungiasi prie duonos lentos žemės. Stiprintuvo išėjimas, gaunamas iš žemo dažnio filtro 6 kaiščio, yra prijungtas prie DAQ plokštės. Būkite labai tylūs ir tylūs, o „LabView“išvestis turėtų būti panaši į nuotraukoje esančią.

Akivaizdu, kad šis signalas yra daug triukšmingesnis nei tobulas signalas, kurį imituoja funkcijų generatorius. Dėl to jūsų širdies ritmas labai šoktelės, bet turėtų svyruoti nuo 60 iki 90 BPM. Ir štai tu turi! Smagus būdas išmatuoti savo širdies ritmą sukuriant grandinę ir koduojant tam tikrą programinę įrangą!