EKG og puls virtuelt brukergrensesnitt: 9 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:25

For denne instruktive, vil vi vise deg hvordan du bygger en krets for å motta ditt hjerterytme og vise det på et virtuelt brukergrensesnitt (VUI) med en grafisk utgang av pulsen din og pulsen din. Dette krever en relativt enkel kombinasjon av kretskomponenter og programvaren LabView for å analysere og sende dataene. Dette er ikke et medisinsk utstyr. Dette er kun for utdanningsformål ved bruk av simulerte signaler. Hvis du bruker denne kretsen for ekte EKG-målinger, må du kontrollere at kretsen og krets-til-instrument-tilkoblingene bruker riktige isolasjonsteknikker.

Materialer

Krets:

• Breadboard:
• Motstander:
• Kondensatorer:
• Op -forsterkere:
• Kretsledninger (inkludert i Breadboard -lenken)
• Alligator klipp
• Banan akkorder
• Agilent E3631A DC strømforsyning
• Funksjonsgenerator
• Oscilloskop

LabView:

• LabView -programvare
• DAQ -styre
• Kretsledninger
• Isolert analog inngang
• Funksjonsgenerator

Trinn 1: Bestem hvilke filtre og forsterkere du skal bruke

For å representere et EKG-signal ble tre forskjellige stadier av kretsen designet og implementert: en instrumenteringsforsterker, et hakkfilter og et lavpassfilter. Instrumenteringsforsterkeren forsterker signalet som når det mottas fra et emne ofte er veldig lite og vanskelig å se og analysere. Hakkfilteret brukes til å fjerne støy ved 60Hz fordi et EKG -signal ikke inneholder signaler ved 60Hz. Til slutt fjerner lavpassfilteret høyere frekvenser for å fjerne støy fra signalet og tillater i kombinasjon med hakkfilter bare frekvensene som er representert i et EKG-signal.

Trinn 2: Bygg instrumentforsterker og test den

Forsterkeren må ha en forsterkning på 1000 V/V, og som det kan sees, består forsterkeren av to trinn. Derfor må gevinsten fordeles jevnt mellom de to trinnene, med K1 som gevinsten i det første trinnet og K2 som gevinsten i det andre trinnet. Vi bestemte K1 til å være 40 og K2 til å være 25. Dette er akseptable verdier på grunn av det faktum at når det multipliseres sammen, oppnås en gevinst på 1000 V/V, 40 x 25 = 1000, og de er av tilsvarende mengde, med en varians på 15 V/V. Ved å bruke disse verdiene for forsterkningen, kan de riktige motstandene deretter beregnes. Følgende ligninger brukes for disse beregningene:

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

Fase 2: K2 = -R4R3 (2)

Vi valgte vilkårlig en verdi på R1, i dette tilfellet var den 1 kΩ, og deretter løst for verdien av R2. Når vi kobler inn de tidligere verdiene i ligningen for trinn 1 -gevinsten, får vi:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Det er viktig å sikre at når du velger motstandene, er de i kOhm -området på grunn av tommelfingerregelen at jo større motstanden er, desto mer kraft kan trygt spre seg uten å bli skadet. Hvis motstanden er for liten og det er for stor strøm, vil det være skade på motstanden, og dessuten vil ikke selve kretsen fungere. Etter den samme protokollen for trinn 2, valgte vi vilkårlig en verdi på R3, 1 kΩ, og løste deretter for R4. Når vi kobler inn de tidligere verdiene i ligningen for trinn 2 -forsterkningen, får vi: 25 = -R4*1000 ⇒R4 = 25000 Ω

Det negative tegnet negeres ettersom motstander ikke kan være negative. Når du har disse verdiene, bygger du følgende krets på bildet. Test det da!

Agilent E3631A DC -strømforsyningen driver driftsforsterkerne med en utgang på +15 V og -15 V som går til pinne 4 og 7. Still funksjonsgeneratoren til å sende ut en hjertebølgeform med en frekvens på 1 kHz, en Vpp på 12,7 mV, og en forskyvning på 0 V. Denne inngangen skal være til pinne 3 på operasjonsforsterkerne i den første fasen av kretsen. Forsterkerens utgang, som kommer fra pinne 6 i operasjonsforsterkeren i det andre trinnet, vises på kanal 1 i oscilloskopet, og spenningen topp-til-topp måles og registreres. For å sikre at instrumenteringsforsterkeren har en forsterkning på minst 1000 V/V, bør spenningen topp-til-topp være minst 12,7 V.

Trinn 3: Bygg hakkfilter og test det

Hakkfilteret er nødvendig for å fjerne 60 Hz støy fra biosignalet. I tillegg til dette kravet, fordi dette filteret ikke trenger å inkludere ytterligere forsterkning, er kvalitetsfaktoren satt til 1. Som med instrumenteringsforsterkeren bestemte vi først verdiene for R1, R2, R3 og C ved å bruke følgende design ligninger for et hakkfilter: R1 = 1/(2Q⍵0C)

R2 = 2Q/(⍵0C)

R3 = R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β = ⍵c2 -⍵c1

Hvor Q = kvalitetsfaktor

⍵0 = 2πf0 = senterfrekvens i rad/sek

f0 = senterfrekvens i Hz

β = båndbredde i rad/sek

⍵c1, ⍵c2 = cutoff -frekvenser (rad/sek)

Vi valgte vilkårlig en verdi på C, i dette tilfellet var den 0,15 µF, og deretter løst for verdien av R1. Ved å koble til de tidligere verdiene som er angitt for kvalitetsfaktor, senterfrekvens og kapasitans, får vi:

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

Som nevnt ovenfor når du diskuterer utformingen av instrumenteringsforsterkeren, er det fortsatt viktig å sørge for at når du løser for motstandene at de er i kOhm -området, så det ikke oppstår skade på kretsen. Hvis en når du skal løse motstandene, er for liten, bør en verdi endres, for eksempel kapasitansen, for å sikre at dette ikke skjer. På samme måte som å løse 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

I tillegg må du løse båndbredden for å ha den som en teoretisk verdi å sammenligne med den eksperimentelle verdien senere:

1 = (2π60)/β⇒β = 47,12 rad/sek

Når du vet at motstandsverdiene bygger krets på brødbrettet.

Bare dette stadiet av kretsen skal testes på dette tidspunktet, så den bør ikke kobles til instrumenteringsforsterkeren. Agilent E3631A DC -strømforsyningen brukes til å drive driftsforsterkeren med en utgang på +15 V og -15 V som går til pinne 4 og 7. Funksjonsgeneratoren er satt til å sende ut en sinusformet bølgeform med en startfrekvens på 10 Hz, en Vpp på 1 V, og en forskyvning på 0 V. Den positive inngangen skal kobles til R1 og den negative inngangen skal kobles til jord. Inngangen bør også kobles til kanal 1 i oscilloskopet. Utgangen fra hakkfilteret, som kommer fra pin 6 på operasjonsforsterkeren, vises på kanal 2 i oscilloskopet. En vekselstrømsmåling måles og registreres ved å variere frekvensen fra 10 Hz til 100 Hz. Frekvensen kan økes med trinn på 10 Hz til den når en frekvens på 50. Deretter brukes trinn på 2 Hz til 59 Hz. Når 59 Hz er nådd, bør trinn på 0,1 Hz tas. Etter at 60 Hz er nådd, kan trinnene igjen økes. Vout/Vin -forholdet og fasevinkelen skal registreres. Hvis Vout/Vin -forholdet ikke er mindre enn eller lik -20 dB ved 60 Hz, må motstandsverdiene endres for å sikre dette forholdet. Et frekvensresponsplot og faseresponsplott konstrueres deretter ut fra disse dataene. Frekvensresponsen skal se slik ut i grafen, som viser at frekvenser rundt 60Hz fjernes, noe du vil ha!

Trinn 4: Bygg lavpassfilter og test det

Avbruddsfrekvensen til lavpassfilteret er bestemt til 150 Hz. Denne verdien ble valgt fordi du vil beholde alle frekvensene som er tilstede i EKG mens du fjerner overflødig støy, spesielt funnet ved høyere frekvenser. Frekvensen til 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 preget av høyere frekvenser, vanligvis over 70 Hz. Derfor ble 150 Hz valgt som cutoff -frekvens for å sikre at vi kan fange alle frekvenser, selv de høyere frekvensene, samtidig som vi stenger av høyfrekvent støy. I tillegg til avbruddsfrekvensen på 150 Hz, er kvalitetsfaktoren, K, satt til 1 fordi det ikke er nødvendig med ytterligere forsterkning. Vi bestemte først verdiene for R1, R2, R3, R4, C1 og C2 ved å bruke følgende designligninger for et lavpassfilter:

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

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

Hvor K = gevinst

⍵c = cutoff -frekvens (rad/sek)

fc = cutoff -frekvens (Hz)

a = filterkoeffisient = 1.414214

b = filterkoeffisient = 1

Fordi forsterkningen er 1, blir R3 erstattet av en åpen krets og R4 er erstattet av en kortslutning som gjør den til en spenningsfølger. Derfor trenger ikke disse verdiene å bli løst. Vi løste først for verdien av C2. Når vi kobler inn de tidligere verdiene i denne ligningen, får vi:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Deretter kan C1 løses ved å bruke verdien av C2.

C1 <(0.047x10^-6) [1.414214^2 + 4 (1) (1 -1)]/4 (1)

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

Når kapasitansverdiene er 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 riktige motstandene bygger du kretsen sett i kretsdiagrammet.

Dette er den siste fasen av den overordnede designen og bør bygges på brødbrettet direkte til venstre for hakkfilteret med utgangen til hakkfilteret og inngangsspenningen for lavpassfilteret. Denne kretsen skal konstrueres ved hjelp av samme brødbrett som tidligere, med riktig beregnet motstand og kapasitans, og en operasjonsforsterker. Når kretsen er bygget ved hjelp av kretsdiagrammet i figur 3, blir den testet. Bare dette stadiet skal testes på dette tidspunktet, så det bør ikke kobles til verken instrumenteringsforsterkeren eller hakkfilteret. Derfor brukes Agilent E3631A DC Power Supply til å drive driftsforsterkeren med en utgang på +15 og -15 V som går til pinne 4 og 7. Funksjonsgeneratoren er satt til å sende ut en sinusformet bølgeform med en startfrekvens på 10 Hz, en Vpp på 1 V, og en forskyvning på 0 V. Den positive inngangen skal kobles til R1 og den negative inngangen skal kobles til jord. Inngangen bør også kobles til kanal 1 i oscilloskopet. Utgangen fra hakkfilteret, som kommer fra pin 6 på operasjonsforsterkeren, vises på kanal 2 i oscilloskopet. En vekselstrømsmåler måles og registreres ved å variere frekvensen fra 10 Hz til 300 Hz. Frekvensen kan økes med trinn på 10 Hz til den når grensefrekvensen på 150 Hz. Deretter bør frekvensen økes med 5 Hz til den når 250 Hz. Høyere trinn på 10 Hz kan brukes for å fullføre feien. Vout/Vin -forholdet og fasevinkelen registreres. Hvis cutoff -frekvensen ikke er 150 Hz, må motstandsverdiene endres for å sikre at denne verdien faktisk er cutoff -frekvensen. Frekvensresponsplottet skal se ut som bildet der du kan se at cut-off frekvensen er rundt 150Hz.

Trinn 5: Kombiner alle 3 komponentene og simuler elektrokardiogram (EKG)

Koble alle tre trinnene ved å legge til en ledning mellom den siste kretskomponenten til den forrige komponenten til begynnelsen av den neste komponenten. Hele kretsen er vist i diagrammet.

Bruk funksjonsgeneratoren til å simulere et annet EKG -signal med Hvis komponentene ble bygget og tilkoblet vellykket, skal utgangen på oscilloskopet se slik ut på bildet.

Trinn 6: Sett opp DAQ Board

Over DAQ -brettet kan du se. Koble den til baksiden av datamaskinen for å slå den på og plasser den isolerte analoge inngangen i kanal 8 på kortet (ACH 0/8). Sett to ledninger inn i hullene merket ‘1’ og ‘2’ i den isolerte analoge inngangen. Sett opp funksjonsgeneratoren for å sende et EKG -signal på 1Hz med en Vpp på 500mV og en forskyvning på 0V. Koble utgangen til funksjonsgeneratoren til ledningene som er plassert i den isolerte analoge inngangen.

Trinn 7: Åpne LabView, opprett et nytt prosjekt og konfigurer DAQ Assistant

Åpne LabView -programvaren og opprett et nytt prosjekt, og åpne en ny VI under rullegardinmenyen for filer. Høyreklikk på siden for å åpne et komponentvindu. Søk etter 'DAQ Assistant Input' og dra den til skjermen. Dette vil automatisk trekke opp det første vinduet.

Velg Skaff signaler> Analog inngang> Spenning. Dette vil trekke opp det andre vinduet.

Velg ai8 fordi du setter din isolerte analoge inngang i kanal 8. Velg Fullfør for å trekke opp det siste vinduet.

Endre oppkjøpsmodus til kontinuerlige prøver, prøvene som skal leses til 2k og frekvensen til 1kHz. Velg deretter Kjør øverst i vinduet, og en utgang som den som er sett ovenfor, skal vises. Hvis EKG -signalet er invertert, bytter du bare tilkoblingene fra funksjonsgeneratoren til DAQ -kortet. Dette viser at du får et EKG -signal! (Yay!) Nå må du kode det for å analysere det!

Trinn 8: Kode LabView for å analysere komponenter i EKG -signal og beregne hjerterytmen

Bruk symbolene på bildet i LabView

Du har allerede plassert DAQ Assistant. DAQ Assistant tar inngangssignalet, som er et analogt spenningssignal, enten simulert av en funksjonsgenerator eller mottatt direkte fra en person som er koblet til riktig plasserte elektroder. Den tar deretter dette signalet og kjører det gjennom en A/D -omformer med kontinuerlig sampling og parametere for 2000 prøver som skal leses, en samplingsfrekvens på 1 kHz og med maks og min spenningsverdier på henholdsvis 10V og -10V. Dette ervervede signalet sendes deretter ut på en graf slik at det kan sees visuelt. Den tar også denne konverterte bølgeformen og legger til 5, for å sikre at den står for en negativ forskyvning og multipliseres deretter med 200 for å gjøre toppene mer distinkte, større og lettere å analysere. Den bestemmer deretter maks- og min -verdien for bølgeformen i det gitte vinduet på 2,5 sekunder gjennom maks/min -operanden. Den beregnede maksverdien må multipliseres med en prosentandel som kan endres, men vanligvis er 90% (0,9). Denne verdien legges deretter til min -verdien og sendes til toppdetekteringsoperanden som terskel. Som et resultat er hvert punkt i kurven som overskrider denne terskelen definert som en topp og lagret som en rekke topper i toppdetektoroperatøren. Denne rekken med topper blir deretter sendt til to forskjellige funksjoner. En av disse funksjonene mottar både toppmatrisen og bølgeformutgangen av operatøren for maksimalverdi. Innenfor denne funksjonen, dt, konverteres disse to inngangene til en tidsverdi for hver av toppene. Den andre funksjonen består av to indeksoperatører som tar posisjonsutgangene til toppdeteksjonsfunksjonen og indekserer dem separat for å få plasseringene til den niende toppen og den første toppen. Forskjellen mellom disse to stedene beregnes av minusoperatoren og multipliseres deretter med tidsverdiene hentet fra dt -funksjonen. Dette gir perioden, eller tiden mellom to topper i sekunder. Per definisjon gir 60 dividert med perioden BPM. Denne verdien kjøres deretter gjennom en absolutt operand for å sikre at utgangen alltid er positiv og deretter avrundes til nærmeste hele tall. Dette er det siste trinnet i å beregne og til slutt sette pulsen ut på samme skjerm som bølgeformutgangen. Som slutten er det slik som blokkdiagrammet skal se ut som det første bildet.

Etter å ha fullført blokkdiagrammet, hvis du kjører programmet, bør du få utskriften avbildet.

Trinn 9: Kombiner kretsen og LabView -komponentene og koble til en ekte person

Nå for den morsomme delen! Ved å kombinere din vakre krets og LabView -programmet for å skaffe et ekte EKG og beregne pulsen. For å endre kretsen for å overholde et menneske og produsere et levedyktig signal, må gevinsten til instrumenteringsforsterkeren reduseres til en forsterkning på 100. Dette skyldes det faktum at når den er koblet til en person, er det en forskyvning som metter deretter operasjonsforsterkeren. Ved å senke gevinsten vil dette redusere dette problemet. Først endres forsterkningen til det første trinnet i instrumenteringsforsterkeren til en forsterkning på 4 slik at den samlede forsterkningen er 100. Deretter, ved bruk av ligning 1, er R2 satt til 19,5 kΩ, og R1 er funnet som følger:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 kΩ Deretter endres instrumenteringsforsterkeren ved å endre motstanden til R1 til 13 kΩ som vist i trinn 2 på det tidligere bygde brødbrettet. Hele kretsen er tilkoblet og kretsen kan testes ved hjelp av LabView. Agilent E3631A DC -strømforsyningen driver driftsforsterkerne med en utgang på +15 V og -15 V til pinne 4 og 7. EKG -elektrodene er koblet til motivet med den positive ledningen (G1) til venstre ankel, negativ ledning (G2) går til høyre håndledd, og bakken (COM) går til høyre ankel. Den menneskelige inngangen bør være til pin 3 til operasjonsforsterkerne i det første trinnet i kretsen med den positive ledningen koblet til pin 3 til den første operasjonsforsterkeren og den negative ledningen koblet til pin 3 i den andre operasjonsforsterkeren. Bakken kobles til bakken på brødbrettet. Forsterkerens utgang, som kommer fra pin 6 på lavpassfilteret, er festet til DAQ-kortet. Sørg for å være veldig stille og stille, og du bør få en utgang i LabView som ligner på bildet.

Dette signalet er åpenbart langt mer støyende enn det perfekte signalet som simuleres av funksjonsgeneratoren. Som et resultat vil pulsen din hoppe mye rundt, men den bør svinge med en rekkevidde på 60-90 BPM. Og der har du det! En morsom måte å måle vår egen puls ved å bygge en krets og kode litt programvare!