Wirtualny interfejs użytkownika EKG i tętna: 9 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:32

W ramach tej instrukcji pokażemy, jak zbudować obwód do odbierania bicia serca i wyświetlać go na wirtualnym interfejsie użytkownika (VUI) z graficznym wyjściem bicia serca i tętna. Wymaga to stosunkowo prostej kombinacji komponentów obwodu i oprogramowania LabView do analizy i wyprowadzania danych. To nie jest urządzenie medyczne. Służy to wyłącznie celom edukacyjnym przy użyciu symulowanych sygnałów. Jeśli używasz tego obwodu do rzeczywistych pomiarów EKG, upewnij się, że obwód i połączenia między obwodem a przyrządem wykorzystują odpowiednie techniki izolacji.

Materiały

Okrążenie:

• Płytka chlebowa:
• Rezystory:
• Kondensatory:
• Wzmacniacze operacyjne:
• Przewody obwodu (zawarte w łączu Breadboard)
• Zaciski krokodylkowe
• Akordy bananowe
• Zasilacz prądu stałego Agilent E3631A
• Generator funkcyjny
• Oscyloskop

LabView:

• Oprogramowanie LabView
• Tablica DAQ
• Przewody obwodu
• Izolowane wejście analogowe
• Generator funkcyjny

Krok 1: Określ, jakich filtrów i wzmacniaczy użyć

W celu odwzorowania sygnału EKG zaprojektowano i wdrożono trzy różne stopnie obwodu: wzmacniacz oprzyrządowania, filtr wycinający i filtr dolnoprzepustowy. Wzmacniacz oprzyrządowania wzmacnia sygnał, ponieważ odbierany od obiektu jest często bardzo mały i trudny do zobaczenia i analizy. Filtr wycinający służy do usuwania szumu przy 60 Hz, ponieważ sygnał EKG nie zawiera sygnałów przy 60 Hz. Wreszcie filtr dolnoprzepustowy usuwa wyższe częstotliwości, aby usunąć szum z sygnału, aw połączeniu z filtrem wycinającym dopuszcza tylko częstotliwości reprezentowane w sygnale EKG.

Krok 2: Zbuduj wzmacniacz oprzyrządowania i przetestuj go

Wzmacniacz musi mieć wzmocnienie 1000 V/V i jak widać wzmacniacz składa się z dwóch stopni. Dlatego wzmocnienie musi być rozłożone równomiernie na dwa stopnie, przy czym K1 jest wzmocnieniem pierwszego stopnia, a K2 jest wzmocnieniem drugiego stopnia. Ustaliliśmy, że K1 wynosi 40, a K2 wynosi 25. Są to wartości dopuszczalne ze względu na to, że po przemnożeniu otrzymuje się wzmocnienie 1000 V/V, 40 x 25 = 1000 i są one porównywalnej wielkości, przy czym wariancja 15 V/V. Używając tych wartości do wzmocnienia, można obliczyć właściwe rezystancje. Do tych obliczeń używane są następujące równania:

Zysk etapu 1: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Zysk etapu 2: K2 = -R4R3 (2)

Arbitralnie wybraliśmy wartość R1, w tym przypadku był to 1 kΩ, a następnie rozwiązaliśmy wartość R2. Wstawiając te poprzednie wartości do równania na wzmocnienie stopnia 1, otrzymujemy:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Ważne jest, aby przy doborze rezystancji mieścić się w zakresie kOhm, ponieważ im większy rezystor, tym więcej mocy można bezpiecznie rozproszyć bez doznania uszkodzeń. Jeśli rezystancja będzie za mała i prąd będzie za duży, nastąpi uszkodzenie rezystora, a ponadto sam obwód nie będzie mógł funkcjonować. Postępując zgodnie z tym samym protokołem dla etapu 2, arbitralnie wybraliśmy wartość R3, 1 kΩ, a następnie rozwiązaliśmy dla R4. Wstawiając poprzednie wartości do równania na wzmocnienie stopnia 2 otrzymujemy: 25 = -R4*1000 ⇒R4= 25000 Ω

Znak ujemny jest zanegowany, ponieważ opory nie mogą być ujemne. Gdy masz te wartości, zbuduj poniższy obwód. Następnie przetestuj to!

Zasilacz prądu stałego Agilent E3631A zasila wzmacniacze operacyjne sygnałem wyjściowym +15 V i -15 V przechodzącym do styków 4 i 7. Ustaw generator funkcji na wysyłanie kształtu fali serca o częstotliwości 1 kHz, Vpp 12,7 mV, i przesunięcie 0 V. To wejście powinno być do pinu 3 wzmacniaczy operacyjnych w pierwszym stopniu obwodu. Wyjście wzmacniacza, pochodzące z pinu 6 wzmacniacza operacyjnego drugiego stopnia, jest wyświetlane na kanale 1 oscyloskopu i mierzone i rejestrowane jest napięcie międzyszczytowe. Aby zapewnić wzmocnienie oprzyrządowania co najmniej 1000 V/V, napięcie międzyszczytowe powinno wynosić co najmniej 12,7 V.

Krok 3: Zbuduj filtr wycinający i przetestuj go

Filtr wycinający jest wymagany do usunięcia szumu o częstotliwości 60 Hz z biosygnału. Oprócz tego wymogu, ponieważ ten filtr nie musi zawierać żadnego dodatkowego wzmocnienia, współczynnik jakości jest ustawiony na 1. Podobnie jak w przypadku wzmacniacza oprzyrządowania, najpierw określiliśmy wartości dla R1, R2, R3 i C, korzystając z następującego projektu równania dla filtra wycinającego:R1= 1/(2Q⍵0C)

R2= 2Q/(⍵0C)

R3= R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β= ⍵c2 -⍵c1

Gdzie Q = współczynnik jakości

⍵0= 2πf0= częstotliwość środkowa w rad/s

f0= częstotliwość środkowa w Hz

β = szerokość pasma w rad/s

⍵c1, ⍵c2= częstotliwości odcięcia (rad/s)

Arbitralnie wybraliśmy wartość C, w tym przypadku było to 0,15 µF, a następnie rozwiązaliśmy dla wartości R1. Wstawiając poprzednie wymienione wartości współczynnika jakości, częstotliwości środkowej i pojemności, otrzymujemy:

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

Jak wspomniano powyżej, przy omawianiu konstrukcji wzmacniacza oprzyrządowania, nadal ważne jest, aby upewnić się, że podczas rozwiązywania problemów z rezystancją znajdują się one w zakresie kOhm, aby nie doszło do uszkodzenia obwodu. Jeśli podczas rozwiązywania rezystancji jeden jest zbyt mały, należy zmienić wartość, taką jak pojemność, aby zapewnić, że tak się nie stanie. Podobnie do rozwiązania równania dla R1, R2 i R3 można rozwiązać:

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

R3= (1105,25) (289,9x103)/[(1105.25) + (289,9x103)]= 1095,84 Ω

Dodatkowo, znajdź przepustowość, aby mieć ją jako wartość teoretyczną do późniejszego porównania z wartością eksperymentalną:

1 = (2π60)/β⇒β = 47,12 rad/s

Gdy znasz wartości rezystancji, buduj obwód na płytce stykowej.

W tym miejscu ma być testowany tylko ten etap obwodu, więc nie należy go podłączać do wzmacniacza pomiarowego. Zasilacz prądu stałego Agilent E3631A służy do zasilania wzmacniacza operacyjnego o napięciu wyjściowym +15 V i -15 V przechodzącym do styków 4 i 7. Generator funkcji jest ustawiony na wysyłanie przebiegu sinusoidalnego o początkowej częstotliwości 10 Hz, a Vpp 1 V, a offset 0 V. Dodatnie wejście powinno być podłączone do R1, a ujemne wejście do masy. Wejście należy również podłączyć do kanału 1 oscyloskopu. Wyjście filtru wycinającego, pochodzące z pinu 6 wzmacniacza operacyjnego, wyświetlane jest na kanale 2 oscyloskopu. Przemiatanie AC jest mierzone i rejestrowane przez zmianę częstotliwości od 10 Hz do 100 Hz. Częstotliwość można zwiększać skokami co 10 Hz, aż do osiągnięcia częstotliwości 50. Następnie stosuje się przyrosty co 2 Hz, aż do 59 Hz. Po osiągnięciu 59 Hz należy brać pod uwagę przyrosty o 0,1 Hz. Następnie, po osiągnięciu 60 Hz, przyrosty można ponownie zwiększyć. Należy zarejestrować stosunek Vout/Vin i kąt fazowy. Jeśli stosunek Vout/Vin jest nie mniejszy lub równy -20 dB przy 60 Hz, wartości rezystancji należy zmienić, aby zapewnić ten stosunek. Na podstawie tych danych konstruuje się wykres odpowiedzi częstotliwościowej i wykres odpowiedzi fazowej. Pasmo przenoszenia powinno wyglądać tak, jak na wykresie, co dowodzi, że częstotliwości około 60 Hz są usuwane, a tego właśnie chcesz!

Krok 4: Zbuduj filtr dolnoprzepustowy i przetestuj go

Częstotliwość odcięcia filtra dolnoprzepustowego jest określana na 150 Hz. Ta wartość została wybrana, ponieważ chcesz zachować wszystkie częstotliwości obecne w EKG, jednocześnie usuwając nadmiar szumu, występujący w szczególności przy wyższych częstotliwościach. Częstotliwość załamka T mieści się w zakresie 0-10 Hz, załamka P w zakresie 5-30 Hz, a zespołu QRS w zakresie 8-50 Hz. Jednak nieprawidłowe przewodnictwo komorowe charakteryzuje się wyższymi częstotliwościami, zwykle powyżej 70 Hz. Dlatego jako częstotliwość graniczną wybrano 150 Hz, aby zapewnić, że będziemy w stanie uchwycić wszystkie częstotliwości, nawet wyższe, przy jednoczesnym odcięciu szumów o wysokiej częstotliwości. Oprócz częstotliwości odcięcia 150 Hz współczynnik jakości K jest ustawiony na 1, ponieważ nie jest wymagane dalsze wzmocnienie. Najpierw określiliśmy wartości dla R1, R2, R3, R4, C1 i C2 za pomocą następujących równań projektowych dla filtra dolnoprzepustowego:

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

R2= 1/[bC1C2R1⍵c^2]

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

R4= K(R1+R2)

C2 około 10/fc uF

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

Gdzie K = zysk

⍵c= częstotliwość graniczna (rad/s)

fc= częstotliwość graniczna (Hz)

a = współczynnik filtra = 1,414214

b = współczynnik filtra = 1

Ponieważ wzmocnienie wynosi 1, R3 jest zastąpiony przez obwód otwarty, a R4 przez zwarcie, co czyni go wtórnikiem napięcia. Dlatego te wartości nie muszą być rozwiązywane. Najpierw rozwiązaliśmy wartość C2. Wstawiając poprzednie wartości do tego równania, otrzymujemy:

C2 = 10/150 uF=0,047 uF

Następnie C1 można rozwiązać za pomocą wartości C2.

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

C1 < 0,024 uF= 0,022 uF

Po rozwiązaniu wartości pojemności, R1 i R2 można obliczyć w następujący sposób:

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

Przy odpowiednich rezystancjach zbuduj obwód widoczny na schemacie obwodu.

Jest to ostatni etap całego projektu i powinien być zbudowany na płytce stykowej bezpośrednio po lewej stronie filtra wycinającego z wyjściem filtra wycinającego i napięciem wejściowym dla filtra dolnoprzepustowego. Układ ten ma być zbudowany z tej samej płytki stykowej co poprzednio, z poprawnie obliczonymi rezystancjami i pojemnościami oraz z jednym wzmacniaczem operacyjnym. Po zbudowaniu obwodu przy użyciu schematu obwodu przedstawionego na rysunku 3 jest on testowany. W tym momencie testowany jest tylko ten stopień, więc nie należy go podłączać ani do wzmacniacza pomiarowego, ani do filtra wycinającego. Dlatego zasilacz prądu stałego Agilent E3631A służy do zasilania wzmacniacza operacyjnego o napięciu wyjściowym +15 i -15 V przechodzącym do styków 4 i 7. Generator funkcji jest ustawiony na wysyłanie przebiegu sinusoidalnego o częstotliwości początkowej 10 Hz, a Vpp 1 V i przesunięcie 0 V. Dodatnie wejście powinno być podłączone do R1, a ujemne wejście powinno być podłączone do masy. Wejście należy również podłączyć do kanału 1 oscyloskopu. Wyjście filtru wycinającego, pochodzące z pinu 6 wzmacniacza operacyjnego, wyświetlane jest na kanale 2 oscyloskopu. Przemiatanie AC jest mierzone i rejestrowane przez zmianę częstotliwości od 10 Hz do 300 Hz. Częstotliwość można zwiększać o 10 Hz, aż do osiągnięcia częstotliwości odcięcia 150 Hz. Następnie częstotliwość należy zwiększyć o 5 Hz, aż do osiągnięcia 250 Hz. Do zakończenia przemiatania można użyć wyższych przyrostów co 10 Hz. Rejestrowany jest stosunek Vout/Vin i kąt fazowy. Jeśli częstotliwość graniczna nie wynosi 150 Hz, wartości rezystancji należy zmienić, aby zapewnić, że ta wartość jest w rzeczywistości częstotliwością graniczną. Wykres odpowiedzi częstotliwościowej powinien wyglądać jak na rysunku, na którym widać, że częstotliwość odcięcia wynosi około 150 Hz.

Krok 5: Połącz wszystkie 3 elementy i symuluj elektrokardiogram (EKG)

Połącz wszystkie trzy stopnie, dodając przewód między ostatnim komponentem obwodu poprzedniego komponentu a początkiem następnego komponentu. Pełny obwód jest widoczny na schemacie.

Korzystając z generatora funkcji, zasymuluj inny sygnał EKG przez Jeśli komponenty zostały pomyślnie zbudowane i połączone, wyjście na oscyloskopie powinno wyglądać tak, jak na zdjęciu.

Krok 6: Skonfiguruj tablicę DAQ

Nad tablicą DAQ widać. Podłącz go z tyłu komputera, aby go włączyć, i umieść izolowane wejście analogowe w kanale 8 płyty (ACH 0/8). Włóż dwa przewody do otworów oznaczonych „1” i „2” izolowanego wejścia analogowego. Ustaw generator funkcji tak, aby wyprowadzał sygnał EKG o częstotliwości 1 Hz z Vpp 500mV i offsetem 0V. Podłącz wyjście generatora funkcyjnego do przewodów umieszczonych w izolowanym wejściu analogowym.

Krok 7: Otwórz LabView, utwórz nowy projekt i skonfiguruj Asystenta DAQ

Otwórz oprogramowanie LabView i utwórz nowy projekt oraz otwórz nowy VI w rozwijanym menu plików. Kliknij stronę prawym przyciskiem myszy, aby otworzyć okno komponentu. Wyszukaj „DAQ Assistant Input” i przeciągnij go na ekran. Spowoduje to automatyczne podniesienie pierwszego okna.

Wybierz opcję Uzyskaj sygnały > Wejście analogowe > Napięcie. Spowoduje to podniesienie drugiego okna.

Wybierz ai8, ponieważ umieściłeś Izolowane Wejście Analogowe w kanale 8. Wybierz Zakończ, aby wyświetlić ostatnie okno.

Zmień tryb akwizycji na próbki ciągłe, próbki do odczytu na 2k i szybkość na 1kHz. Następnie wybierz Uruchom w górnej części okna i powinien pojawić się wynik podobny do powyższego. Jeśli sygnał EKG jest odwrócony, po prostu przełącz połączenia z generatora funkcji na płytę DAQ. To pokazuje, że z powodzeniem odbierasz sygnał EKG! (Yay!) Teraz musisz go zakodować, aby to przeanalizować!

Krok 8: Zakoduj LabView, aby przeanalizować składowe sygnału EKG i obliczyć tętno

Użyj symboli na obrazku w LabView

Już umieściłeś Asystenta DAQ. Asystent DAQ pobiera sygnał wejściowy, który jest analogowym sygnałem napięciowym, symulowanym przez generator funkcyjny lub odbieranym bezpośrednio od osoby podłączonej do odpowiednio umieszczonych elektrod. Następnie pobiera ten sygnał i przepuszcza go przez przetwornik A/C z ciągłym próbkowaniem i parametrami 2000 próbek do odczytu, z częstotliwością próbkowania 1 kHz i maksymalnymi i minimalnymi wartościami napięcia wynoszącymi odpowiednio 10V i -10V. Uzyskany sygnał jest następnie wyprowadzany na wykres, aby można go było zobaczyć wizualnie. Bierze również przekonwertowany kształt fali i dodaje 5, aby zapewnić uwzględnienie ujemnego przesunięcia, a następnie jest mnożony przez 200, aby piki były bardziej wyraźne, większe i łatwiejsze do analizy. Następnie określa maksymalną i minimalną wartość przebiegu w danym oknie 2,5 sekundy przez operand max/min. Obliczoną wartość maksymalną należy pomnożyć przez procent, który można zmienić, ale zwykle wynosi 90% (0,9). Ta wartość jest następnie dodawana do wartości minimalnej i wysyłana do operandu wykrywania szczytów jako wartości progowej. W rezultacie każdy punkt wykresu przebiegu, który przekracza ten próg, jest definiowany jako pik i zapisywany jako tablica pików w operatorze detektora pików. Ta tablica pików jest następnie wysyłana do dwóch różnych funkcji. Jedna z tych funkcji odbiera zarówno tablicę szczytów, jak i sygnał wyjściowy fali przez operator wartości maksymalnej. W ramach tej funkcji, dt, te dwa wejścia są konwertowane na wartość czasu dla każdego z pików. Druga funkcja składa się z dwóch operatorów indeksów, które biorą wyjścia lokalizacyjne funkcji wykrywania pików i indeksują je oddzielnie, aby uzyskać lokalizacje 0. piku i 1. piku. Różnica między tymi dwoma lokalizacjami jest obliczana przez operator minus, a następnie mnożona przez wartości czasu uzyskane z funkcji dt. Daje to okres lub czas między dwoma szczytami w sekundach. Z definicji 60 podzielone przez okres daje BPM. Ta wartość jest następnie przeprowadzana przez operand bezwzględny, aby upewnić się, że wynik jest zawsze dodatni, a następnie jest zaokrąglana do najbliższej liczby całkowitej. Jest to ostatni krok w obliczaniu i wreszcie wyświetlaniu tętna na tym samym ekranie, na którym wyświetlany jest przebieg. Na koniec tak powinien wyglądać schemat blokowy na pierwszym obrazie.

Po ukończeniu schematu blokowego, jeśli uruchomisz program, powinieneś zobaczyć wyjście.

Krok 9: Połącz obwód i komponenty LabView i połącz się z prawdziwą osobą

Teraz zabawa! Łącząc swój piękny obwód i program LabView, aby uzyskać prawdziwe EKG i obliczyć jego tętno. W celu zmodyfikowania obwodu tak, aby był zgodny z człowiekiem i wytwarzał realny sygnał, wzmocnienie wzmacniacza oprzyrządowania musi zostać zredukowane do wzmocnienia 100. Wynika to z faktu, że po podłączeniu do osoby występuje przesunięcie, które następnie nasyca wzmacniacz operacyjny. Obniżając wzmocnienie, zmniejszy to ten problem. Najpierw wzmocnienie pierwszego stopnia wzmacniacza pomiarowego jest zmieniane na wzmocnienie 4, tak aby całkowite wzmocnienie wynosiło 100. Następnie, korzystając z równania 1, R2 jest ustawione na 19,5 kΩ, a R1 jest następujące:

4 = 1 + 2(19, 500)R1⇒R1= 13 kΩ Następnie wzmacniacz pomiarowy jest modyfikowany poprzez zmianę rezystancji R1 na 13 kΩ, jak pokazano w kroku 2 na wcześniej zbudowanej płytce stykowej. Cały obwód jest podłączony i obwód można przetestować za pomocą LabView. Zasilacz prądu stałego Agilent E3631A zasila wzmacniacze operacyjne sygnałem wyjściowym +15 V i -15 V idącym do pinów 4 i 7. Elektrody EKG są podłączone do pacjenta przewodem dodatnim (G1) biegnącym do lewej kostki, ujemny ołów (G2) biegnący do prawego nadgarstka, a ziemia (COM) biegnący do prawej kostki. Wejście człowieka powinno być doprowadzone do styku 3 wzmacniaczy operacyjnych w pierwszym stopniu obwodu z przewodem dodatnim podłączonym do styku 3 pierwszego wzmacniacza operacyjnego i przewodem ujemnym podłączonym do styku 3 drugiego wzmacniacza operacyjnego. Uziemienie łączy się z masą płytki stykowej. Wyjście wzmacniacza, wychodzące z pinu 6 filtra dolnoprzepustowego, jest dołączone do płytki DAQ. Upewnij się, że jesteś bardzo spokojny i cichy, a powinieneś otrzymać wynik w LabView, który wygląda podobnie do tego na obrazku.

Ten sygnał jest oczywiście znacznie bardziej zaszumiony niż doskonały sygnał symulowany przez generator funkcji. W rezultacie tętno będzie znacznie skakać, ale powinno wahać się w zakresie 60-90 uderzeń na minutę. I masz to! Świetny sposób mierzenia własnego tętna poprzez budowanie obwodu i kodowanie oprogramowania!