Virtualno korisničko sučelje za EKG i otkucaje srca: 9 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

Za ovu instrukciju pokazat ćemo vam kako izgraditi krug za primanje otkucaja srca i prikazati ga na virtualnom korisničkom sučelju (VUI) s grafičkim ispisom vašeg otkucaja srca i otkucaja srca. To zahtijeva relativno jednostavnu kombinaciju komponenata kruga i softvera LabView za analizu i izlaz podataka. Ovo nije medicinski uređaj. Ovo je samo u obrazovne svrhe korištenjem simuliranih signala. Ako ovaj krug koristite za stvarna mjerenja EKG-a, provjerite koriste li krug i veze krug-instrument ispravne tehnike izolacije.

Materijali

Krug:

• Oglasna ploča:
• Otpornici:
• Kondenzatori:
• Op pojačala:
• Žice strujnog kruga (uključene u vezu na Breadboard)
• Isječci od aligatora
• Akordi banana
• Agilent E3631A istosmjerno napajanje
• Generator funkcija
• Osciloskop

LabView:

• LabView softver
• DAQ ploča
• Žice kruga
• Izolirani analogni ulaz
• Generator funkcija

Korak 1: Odredite koje ćete filtre i pojačala koristiti

Kako bi predstavljali EKG signal, dizajnirane su i implementirane tri različite faze kruga: instrumentacijsko pojačalo, urezani filtar i niskopropusni filter. Instrumentacijsko pojačalo pojačava signal jer je primljen od subjekta često vrlo mali te ga je teško vidjeti i analizirati. Urezani filter koristi se za uklanjanje šuma na 60Hz jer EKG signal ne sadrži signale na 60Hz. Konačno, niskopropusni filter uklanja veće frekvencije kako bi uklonio šum iz signala, a u kombinaciji s ureznim filtrom dopušta samo frekvencije koje su predstavljene u EKG signalu.

Korak 2: Napravite instrumentacijsko pojačalo i testirajte ga

Pojačalo mora imati pojačanje od 1000 V/V, a kao što se može vidjeti, pojačalo se sastoji od dvije faze. Stoga se dobitak mora ravnomjerno raspodijeliti između dvije faze, pri čemu je K1 dobitak prve faze, a K2 dobitak druge faze. Utvrdili smo da je K1 40, a K2 25. To su prihvatljive vrijednosti s obzirom na činjenicu da se, kad se zajedno pomnože, dobije dobitak od 1000 V/V, 40 x 25 = 1000, a usporedive su vrijednosti, s varijacija 15 V/V. Koristeći ove vrijednosti za pojačanje, tada se mogu izračunati odgovarajući otpori. Za izračune se koriste sljedeće jednadžbe:

1. stupanj pojačanja: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

2. stupanj pojačanja: K2 = -R4R3 (2)

Proizvoljno smo odabrali vrijednost R1, u ovom slučaju ona je bila 1 kΩ, a zatim smo naknadno riješili vrijednost R2. Uključivanjem tih prethodnih vrijednosti u jednadžbu za dobitak prve faze, dobivamo:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Važno je osigurati da pri odabiru otpora oni budu u kOhm rasponu zbog općeg pravila da što je otpornik veći, to se veća snaga može sigurno raspršiti bez oštećenja. Ako je otpor premalen i prevelika je struja, doći će do oštećenja otpornika, a sam krug neće moći funkcionirati. Slijedeći isti protokol za fazu 2, proizvoljno smo odabrali vrijednost R3, 1 kΩ, a zatim riješili za R4. Uključivanjem prethodnih vrijednosti u jednadžbu za dobitak stupnja 2 dobivamo: 25 = -R4*1000 ⇒R4 = 25000 Ω

Negativni predznak se negira jer otpori ne mogu biti negativni. Nakon što dobijete ove vrijednosti, napravite sljedeći krug na slici. Onda isprobajte!

Agilent E3631A istosmjerno napajanje napaja operativna pojačala s izlazom od +15 V i -15 V koji idu na pinove 4 i 7. Postavite generator funkcija da emitira srčani val s frekvencijom od 1 kHz, Vpp od 12,7 mV, i pomak od 0 V. Ovaj ulaz bi trebao biti na pinu 3 operacijskih pojačala u prvoj fazi kruga. Izlaz pojačala, koji dolazi s pina 6 operacijskog pojačala drugog stupnja, prikazuje se na kanalu 1 osciloskopa, a napon od vrha do vrha se mjeri i bilježi. Kako bi se osiguralo da instrumentalno pojačalo ima pojačanje od najmanje 1000 V/V, napon od vrha do vrha trebao bi biti najmanje 12,7 V.

Korak 3: Izradite Notch filter i testirajte ga

Urezani filter potreban je za uklanjanje šuma od 60 Hz iz biosignala. Uz ovaj zahtjev, budući da ovaj filtar ne mora uključivati daljnja pojačanja, faktor kvalitete postavljen je na 1. Kao i kod instrumentalnog pojačala, prvo smo utvrdili vrijednosti za R1, R2, R3 i C koristeći sljedeći dizajn jednadžbe za urezni filter: R1 = 1/(2Q⍵0C)

R2 = 2Q/(⍵0C)

R3 = R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β = ⍵c2 -⍵c1

Gdje je Q = faktor kvalitete

⍵0 = 2πf0 = središnja frekvencija u rad/s

f0 = središnja frekvencija u Hz

β = propusnost u rad/sec

⍵c1, ⍵c2 = granične frekvencije (rad/sek)

Proizvoljno smo odabrali vrijednost C, u ovom slučaju ona je bila 0,15 µF, a zatim naknadno riješili vrijednost R1. Uključivanjem prethodno navedenih vrijednosti faktora kvalitete, središnje frekvencije i kapaciteta dobivamo:

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

Kao što je gore spomenuto pri raspravi o dizajnu instrumentacijskog pojačala, još uvijek je važno paziti da pri rješavanju otpora oni budu u kOhm rasponu kako ne bi došlo do oštećenja kruga. Ako je pri rješavanju otpora jedan premali, treba promijeniti vrijednost, poput kapaciteta, kako bi se osiguralo da se to ne dogodi. Slično rješavanju jednadžbe za R1, R2 i R3 može se riješiti:

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

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

Dodatno, riješite širinu pojasa kako biste je kasnije dobili kao teoretsku vrijednost za usporedbu s eksperimentalnom vrijednošću:

1 = (2π60)/β⇒β = 47,12 rad/sek

Kad znate vrijednosti otpora, napravite krug na ploči.

U ovom trenutku treba testirati samo ovu fazu kruga, pa se ne smije spojiti na instrumentalno pojačalo. Agilent E3631A istosmjerno napajanje koristi se za napajanje operacijskog pojačala s izlazom od +15 V i -15 V koje ide na pinove 4 i 7. Funkcijski generator postavljen je za izlaz sinusoidnog valnog oblika s početnom frekvencijom od 10 Hz, a Vpp od 1 V i pomak od 0 V. Pozitivni ulaz treba spojiti na R1, a negativni ulaz na masu. Ulaz bi također trebao biti spojen na kanal 1 osciloskopa. Izlaz urezanog filtera, koji dolazi s pina 6 operacijskog pojačala, prikazan je na kanalu 2 osciloskopa. Mjerenje i snimanje izmjeničnog napona mjeri se promjenom frekvencije od 10 Hz do 100 Hz. Učestalost se može povećavati u koracima od 10 Hz dok ne dosegne frekvenciju od 50. Zatim se koriste koraci od 2 Hz do 59 Hz. Kad se dosegne 59 Hz, potrebno je poduzeti korake od 0,1 Hz. Zatim, nakon dostizanja 60 Hz, koraci se mogu ponovno povećati. Omjer Vout/Vin i fazni kut treba zabilježiti. Ako omjer Vout/Vin nije manji ili jednak -20 dB pri 60 Hz, vrijednosti otpora moraju se promijeniti kako bi se osigurao taj omjer. Na temelju ovih podataka tada se gradi dijagram frekvencijskog odziva i fazni odziv. Frekvencijski odziv trebao bi izgledati tako na grafikonu, što dokazuje da su frekvencije oko 60Hz uklonjene, što želite!

Korak 4: Izgradite niskopropusni filtar i testirajte ga

Granična frekvencija niskopropusnog filtera određena je kao 150 Hz. Ova je vrijednost odabrana jer želite zadržati sve frekvencije prisutne na EKG -u dok uklanjate višak šuma, posebno na višim frekvencijama. Učestalost T vala nalazi se u rasponu od 0-10 Hz, P val u rasponu od 5-30 Hz, a QRS kompleks u rasponu 8-50 Hz. Međutim, abnormalnu ventrikularnu provodljivost karakteriziraju veće frekvencije, tipično iznad 70 Hz. Stoga je 150 Hz odabrano kao granična frekvencija kako bi se osiguralo da možemo snimiti sve frekvencije, čak i više frekvencije, a pritom prekinuti šum visoke frekvencije. Uz graničnu frekvenciju od 150 Hz, faktor kvalitete, K, postavljen je na 1 jer nije potrebno dodatno pojačavanje. Prvo smo odredili vrijednosti za R1, R2, R3, R4, C1 i C2 koristeći sljedeće projektne jednadžbe za niskopropusni filtar:

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

R2 = 1/[bC1C2R1⍵c^2]

R3 = K (R1+ R2)/(K -1) kada je K> 1

R4 = K (R1+R2)

C2 oko 10/fc uF

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

Gdje je K = dobitak

⍵c = granična frekvencija (rad/s)

fc = granična frekvencija (Hz)

a = koeficijent filtera = 1,414214

b = koeficijent filtera = 1

Budući da je dobitak 1, R3 se zamjenjuje otvorenim krugom, a R4 kratkim spojem što ga čini sljedbenikom napona. Stoga se te vrijednosti ne moraju rješavati. Prvo smo riješili vrijednost C2. Uključivanjem prethodnih vrijednosti u tu jednadžbu dobivamo:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Tada se C1 može riješiti pomoću vrijednosti C2.

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

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

Nakon što su vrijednosti kapaciteta riješene za, R1 i R2 mogu se izračunati na sljedeći način:

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

S pravim otporima izgradite krug koji se vidi na dijagramu kruga.

Ovo je posljednja faza cjelokupnog dizajna i trebala bi biti izgrađena na ploči s desne strane lijevo od ureznog filtra s izlazom zareznog filtera i ulaznim naponom za niskopropusni filtar. Ovaj krug treba biti izgrađen koristeći istu matičnu ploču kao i prethodno, s ispravno izračunatim otporima i kapacitivnostima te jednim operativnim pojačalom. Nakon što se sklop izgradi pomoću dijagrama kruga na slici 3, ispituje se. U ovom trenutku treba testirati samo ovu fazu, pa se ne smije spojiti ni na instrumentalno pojačalo ni na urezni filter. Stoga se Agilent E3631A istosmjerno napajanje koristi za napajanje operacijskog pojačala s izlazom od +15 i -15 V koje ide na pinove 4 i 7. Funkcijski generator postavljen je za izlaz sinusoidnog valnog oblika s početnom frekvencijom od 10 Hz, a Vpp od 1 V i pomak od 0 V. Pozitivni ulaz treba spojiti na R1, a negativni ulaz na masu. Ulaz bi također trebao biti spojen na kanal 1 osciloskopa. Izlaz urezanog filtera, koji dolazi s pina 6 operacijskog pojačala, prikazan je na kanalu 2 osciloskopa. Naizmjenični zamah se mjeri i bilježi promjenom frekvencije od 10 Hz do 300 Hz. Učestalost se može povećavati za 10 Hz dok ne dosegne graničnu frekvenciju od 150 Hz. Zatim bi se frekvencija trebala povećavati za 5 Hz dok ne dosegne 250 Hz. Veći koraci od 10 Hz mogu se upotrijebiti za završetak brisanja. Bilježe se omjer Vout/Vin i fazni kut. Ako granična frekvencija nije 150 Hz, tada se vrijednosti otpora moraju promijeniti kako bi se osiguralo da je ta vrijednost zapravo granična frekvencija. Grafikon frekvencijskog odziva trebao bi izgledati poput slike na kojoj možete vidjeti da je granična frekvencija oko 150Hz.

Korak 5: Kombinirajte sve 3 komponente i simulirajte elektrokardiogram (EKG)

Spojite sve tri faze dodavanjem žice između posljednje komponente kruga prethodne komponente na početak sljedeće komponente. Cijeli krug se vidi na dijagramu.

Pomoću generatora funkcija simulirajte drugi EKG signal pomoću Ako su komponente uspješno izgrađene i spojene, vaš izlaz na osciloskopu trebao bi izgledati ovako na slici.

Korak 6: Postavljanje DAQ ploče

Iznad DAQ ploče može se vidjeti. Spojite ga na stražnju stranu računala da biste ga napajali i postavite izolirani analogni ulaz u kanal 8 ploče (ACH 0/8). Umetnite dvije žice u rupe s oznakama '1' i '2' izoliranog analognog ulaza. Postavite generator funkcija za izlaz EKG signala od 1Hz s Vpp od 500mV i pomakom od 0V. Spojite izlaz generatora funkcija na žice smještene u izolirani analogni ulaz.

Korak 7: Otvorite LabView, izradite novi projekt i postavite DAQ pomoćnika

Otvorite softver LabView i izradite novi projekt te otvorite novi VI pod padajućim izbornikom datoteka. Desnim klikom na stranicu otvorite prozor komponente. Potražite "DAQ Assistant Input" i povucite ga na zaslon. Ovo će automatski povući prvi prozor.

Odaberite Prihvati signale> Analogni ulaz> Napon. Ovo će povući drugi prozor.

Odaberite ai8 jer ste svoj izolirani analogni ulaz stavili u kanal 8. Odaberite Završi da biste povukli posljednji prozor.

Promijenite način akvizicije na kontinuirane uzorke, uzorke na čitanje na 2k i brzinu na 1 kHz. Zatim odaberite Pokreni pri vrhu prozora i trebao bi se prikazati izlaz poput onog koji je prikazan gore. Ako je EKG signal obrnut, jednostavno prebacite veze s generatora funkcija na DAQ ploču. To pokazuje da uspješno primate EKG signal! (Da!) Sada ga morate kodirati da biste ga analizirali!

Korak 8: Kodirajte LabView za analizu komponenti EKG signala i izračunavanje otkucaja srca

Koristite simbole na slici u LabView -u

Već ste postavili DAQ pomoćnika. DAQ pomoćnik prima ulazni signal, analogni naponski signal, simuliran funkcijskim generatorom ili primljen izravno od osobe spojene na odgovarajuće postavljene elektrode. Zatim uzima ovaj signal i vodi ga kroz A/D pretvarač s kontinuiranim uzorkovanjem i parametrima od 2000 uzoraka za čitanje, brzinom uzorkovanja od 1 kHz i s maksimalnim i minimalnim vrijednostima napona od 10 V odnosno -10 V. Taj se prikupljeni signal zatim emitira na grafikonu tako da se može vizualno vidjeti. Također uzima ovaj pretvoreni valni oblik i dodaje 5, kako bi se osiguralo da ima negativan pomak, a zatim se množi s 200 kako bi vrhovi bili izraženiji, veći i lakši za analizu. Zatim određuje maksimalnu i minimalnu vrijednost valnog oblika unutar zadanog prozora od 2,5 sekunde kroz maks/min operand. Izračunatu najveću vrijednost potrebno je pomnožiti s postotkom koji se može promijeniti, ali je obično 90% (0,9). Ta se vrijednost zatim dodaje minimalnoj vrijednosti i šalje u prag detekcije vrha kao prag. Kao rezultat toga, svaka točka grafa valnog oblika koja prelazi ovaj prag definira se kao vrh i sprema kao niz vrhova u operatoru detektora vrhova. Ovaj niz vrhova tada se šalje na dvije različite funkcije. Jedna od ovih funkcija prima i vršni niz i izlaz valnog oblika putem operatora maksimalne vrijednosti. Unutar ove funkcije, dt, ova dva ulaza se pretvaraju u vrijednost vremena za svaki od vrhova. Druga funkcija sastoji se od dva operatora indeksa koji uzimaju lokacijske izlaze funkcije detekcije vrhova i indeksiraju ih zasebno kako bi dobili lokacije 0. vrha i 1. vrha. Razlika između ove dvije lokacije izračunava minus operator, a zatim se množi s vrijednostima vremena dobivenim iz funkcije dt. Time se ispisuje razdoblje ili vrijeme između dva vrha u sekundama. Po definiciji, 60 podijeljeno s razdobljem daje BPM. Ta se vrijednost zatim izvodi kroz apsolutni operand kako bi se osiguralo da je izlaz uvijek pozitivan, a zatim se zaokružuje na najbliži cijeli broj. Ovo je posljednji korak u izračunavanju i konačnom ispisivanju otkucaja srca na isti zaslon kao i izlaz valnog oblika. Kao kraj, blok dijagram bi trebao izgledati kao prva slika.

Nakon što dovršite blok dijagram, ako pokrenete program, trebali biste dobiti sliku na slici.

Korak 9: Kombinirajte sklop i komponente LabView i spojite se na stvarnu osobu

A sada zabavni dio! Kombinirajući vaš lijepi krug i program LabView za dobivanje pravog EKG -a i izračunavanje njegovog otkucaja srca. Kako bi se krug izmijenio tako da bude u skladu s čovjekom i proizveo održiv signal, pojačanje instrumentacijskog pojačala mora se smanjiti na dobitak od 100. To je zbog činjenice da kada je spojen na osobu postoji pomak koji zatim zasićuje operativno pojačalo. Smanjivanjem dobitka to će smanjiti ovo pitanje. Prvo, dobitak prve faze instrumentacijskog pojačala mijenja se na dobitak od 4 tako da ukupni dobitak iznosi 100. Zatim se, pomoću jednadžbe 1, R2 postavlja na 19,5 kΩ, a R1 se nalazi na sljedeći način:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 kΩ Zatim se instrumentalno pojačalo mijenja promjenom otpora R1 na 13 kΩ kao što je prikazano u koraku 2 na prethodno izgrađenoj ploči. Cijeli krug je spojen i krug se može testirati pomoću LabView -a. Agilent E3631A istosmjerno napajanje napaja operativna pojačala s izlazom od +15 V i -15 V koji idu na pinove 4 i 7. EKG elektrode su spojene na subjekt s pozitivnim odvodom (G1) koji ide prema lijevom gležnju, negativni odvod (G2) ide do desnog zgloba, a tlo (COM) ide do desnog gležnja. Ljudski ulaz trebao bi biti priključak 3 operacijskih pojačala u prvom stupnju kruga s pozitivnim kabelom spojenim na pin 3 prvog operacijskog pojačala, a negativni vodič spojen na pin 3 drugog operacijskog pojačala. Uzemljenje se spaja s tlom matične ploče. Izlaz pojačala, koji dolazi s pina 6 niskopropusnog filtera, spojen je na DAQ ploču. Budite vrlo mirni i tihi i trebali biste dobiti izlaz u LabViewu koji izgleda slično onom na slici.

Ovaj je signal očito daleko bučniji od savršenog signala simuliranog funkcijskim generatorom. Zbog toga će vam broj otkucaja srca jako skočiti, ali bi trebao varirati u rasponu od 60-90 BPM. I eto ga! Zabavan način mjerenja vlastitog otkucaja srca izgradnjom sklopa i kodiranjem nekog softvera!