EKG és pulzusszám virtuális felhasználói felület: 9 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:43

Ebből a tanulságos célból megmutatjuk, hogyan lehet áramkört építeni a szívverés fogadására, és megjeleníteni azt egy virtuális felhasználói felületen (VUI), amely grafikus kimenetet ad a szívverésről és a pulzusszámról. Ehhez viszonylag egyszerű áramköri összetevők és a LabView szoftver kombinációja szükséges az adatok elemzéséhez és kimenetéhez. Ez nem orvosi eszköz. Ez csak oktatási célokat szolgál, szimulált jelek használatával. Ha ezt az áramkört valós EKG-mérésekhez használja, győződjön meg arról, hogy az áramkör és az áramkör-műszer kapcsolatok megfelelő szigetelési technikákat alkalmaznak.

Anyagok

Áramkör:

• Kenyeretábla:
• Ellenállások:
• Kondenzátorok:
• Op erősítők:
• Áramköri vezetékek (a Breadboard linkben található)
• Alligátor klipek
• Banán akkordok
• Agilent E3631A DC tápegység
• Funkciógenerátor
• Oszcilloszkóp

LabView:

• LabView szoftver
• DAQ tábla
• Áramköri vezetékek
• Elkülönített analóg bemenet
• Funkciógenerátor

1. lépés: Határozza meg, hogy milyen szűrőket és erősítőket kell használni

Az EKG jel reprezentálása érdekében az áramkör három különböző szakaszát tervezték és valósították meg: műszeres erősítőt, bevágásos szűrőt és aluláteresztő szűrőt. A műszererősítő erősíti a jelet, mivel az alanytól vett vétel gyakran nagyon kicsi, és nehezen látható és elemezhető. A bevágásos szűrőt a 60 Hz -es zaj eltávolítására használják, mivel az EKG jel nem tartalmaz jeleket 60 Hz -en. Végül az aluláteresztő szűrő eltávolítja a magasabb frekvenciákat, hogy eltávolítsa a zajt a jelből, és a bevágásos szűrővel együtt csak azokat a frekvenciákat engedi meg, amelyeket egy EKG jel képvisel.

2. lépés: Készítse el a műszeres erősítőt és tesztelje

Az erősítőnek 1000 V/V erősítéssel kell rendelkeznie, és amint látható, az erősítő két fokozatból áll. Ezért a nyereséget egyenletesen kell elosztani a két szakasz között, K1 az első szakasz nyeresége, K2 pedig a második szakasz nyeresége. K1 értékét 40 -nek, K2 -t 25 -nek határoztuk meg. Ezek elfogadható értékek, mivel együttesen megszorozva 1000 V/V erősítést kapunk, 40 x 25 = 1000, és ezek összehasonlítható összegűek, 15 V/V szórás. Ezeket az értékeket a nyereséghez használva a megfelelő ellenállások kiszámíthatók. A számításokhoz a következő egyenleteket használjuk:

1. szakasz nyereség: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

2. szakasz erősítése: K2 = -R4R3 (2)

Önkényesen R1 értéket választottunk, ebben az esetben 1 kΩ volt, majd ezt követően megoldottuk az R2 értékre. Ha ezeket a korábbi értékeket bekapcsoljuk az 1. fokozat erősítésének egyenletébe, akkor a következőket kapjuk:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Fontos annak biztosítása, hogy az ellenállások kiválasztásakor a kOhm tartományba essenek, mivel az az alapszabály, hogy minél nagyobb az ellenállás, annál nagyobb teljesítmény képes biztonságosan eloszlani károsodás nélkül. Ha az ellenállás túl kicsi és túl nagy az áramerősség, akkor az ellenállás megsérül, és maga az áramkör sem fog tudni működni. Ugyanazt a protokollt követve a 2. szakaszban tetszőlegesen kiválasztottuk az R3, 1 kΩ értéket, majd megoldottuk az R4 értéket. Ha bekapcsoljuk az előző értékeket a 2. fokozatú erősítés egyenletébe, akkor a következőket kapjuk: 25 = -R4*1000 ⇒R4 = 25000 Ω

A negatív előjel negatív, mivel az ellenállások nem lehetnek negatívak. Ha megvannak ezek az értékek, építse fel a következő áramkört a képen. Akkor teszteld!

Az Agilent E3631A egyenáramú tápegység táplálja a műveleti erősítőket +15 V és -15 V kimenettel, amelyek a 4. és 7. érintkezőkre vonatkoznak. és 0 V eltolással. Ennek a bemenetnek az áramkör első szakaszában lévő műveleti erősítők 3. érintkezőjére kell kerülnie. Az erősítő kimenete, amely a második fokozat operatív erősítőjének 6. tűjéből származik, megjelenik az oszcilloszkóp 1. csatornáján, és a csúcs-csúcs feszültséget mérik és rögzítik. Annak biztosítása érdekében, hogy a műszererősítő legalább 1000 V/V erősítést kapjon, a csúcs-csúcs feszültségnek legalább 12,7 V-nak kell lennie.

3. lépés: Készítsen bevágásszűrőt és tesztelje

A bevágó szűrő szükséges a 60 Hz -es zaj eltávolításához a biosignálból. Ezen követelmény mellett, mivel a szűrőnek nem kell további erősítést tartalmaznia, a minőségi tényező 1 -re van állítva. A műszeres erősítőhöz hasonlóan először az R1, R2, R3 és C értékeket határoztuk meg a következő kialakítással egy bevágásos szűrő egyenletei: R1 = 1/(2Q⍵0C)

R2 = 2Q/(⍵0C)

R3 = R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β = ⍵c2 -⍵c1

Ahol Q = minőségi tényező

⍵0 = 2πf0 = középfrekvencia rad/sec -ban

f0 = középfrekvencia Hz -ben

β = sávszélesség rad/sec -ban

⍵c1, ⍵c2 = határfrekvenciák (rad/sec)

Önkényesen kiválasztottuk a C értéket, ebben az esetben ez 0,15 µF volt, majd ezt követően megoldottuk az R1 értékre. Ha csatlakoztatja a minőségi tényező, a középfrekvencia és a kapacitás korábbi értékeit, akkor a következőket kapjuk:

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

Amint azt fentebb említettük, amikor a műszeres erősítő kialakításáról tárgyalunk, továbbra is fontos, hogy győződjünk meg arról, hogy a kOhm tartományba eső ellenállások megoldásakor ne sérüljön az áramkör. Ha az ellenállások megoldása során az egyik túl kicsi, akkor meg kell változtatni egy értéket, például a kapacitást, hogy ez ne forduljon elő. Az R1, R2 és R3 egyenlet megoldásához hasonlóan megoldható:

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

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

Ezenkívül oldja meg a sávszélességet, hogy elméleti értékként összehasonlítható legyen a későbbi kísérleti értékkel:

1 = (2π60)/β⇒β = 47,12 rad/sec

Ha már ismeri az ellenállási értékeket, építsen áramkört a kenyértáblára.

Ezen a ponton csak az áramkör ezen szakaszát kell tesztelni, ezért ne csatlakoztassa a műszeres erősítőhöz. Az Agilent E3631A egyenáramú tápegységet a +15 V és -15 V kimeneti teljesítményű műveleti erősítő tápellátására használják, a 4. és 7. érintkezőkhöz. A funkciógenerátor szinuszos hullámforma kimenetére van beállítva 10 Hz kezdeti frekvenciával Vpp 1 V, és eltolás 0 V. A pozitív bemenetet R1 -hez kell csatlakoztatni, a negatív bemenetet pedig a földhöz. A bemenetet szintén az oszcilloszkóp 1. csatornájához kell csatlakoztatni. A bemetszéses szűrő kimenete, amely a műveleti erősítő 6. érintkezőjéből származik, megjelenik az oszcilloszkóp 2. csatornáján. A váltakozó áramú söprést a frekvencia 10 Hz -től 100 Hz -ig történő változtatásával mérik és rögzítik. A frekvencia 10 Hz -es lépésekkel növelhető, amíg el nem éri az 50 -es frekvenciát. Ezután 2 Hz -es lépést használnak 59 Hz -ig. Az 59 Hz elérése után 0,1 Hz -es lépésekben kell eljárni. Ezután a 60 Hz elérése után a lépések ismét növelhetők. A Vout/Vin arányt és a fázisszöget rögzíteni kell. Ha a Vout/Vin arány 60 Hz -en nem kisebb vagy egyenlő -20 dB, akkor az ellenállás értékeit módosítani kell az arány biztosítása érdekében. Ebből az adatokból a frekvenciaválasz -diagram és a fázisválaszrajz készül. A frekvenciaválasznak így kell kinéznie a grafikonon, ami azt bizonyítja, hogy a 60 Hz körüli frekvenciákat eltávolítják, ezt szeretné!

4. lépés: Készítsen aluláteresztő szűrőt és tesztelje

Az aluláteresztő szűrő levágási frekvenciája 150 Hz. Ezt az értéket azért választottuk, mert meg akarja őrizni az EKG összes frekvenciáját, miközben eltávolítja a felesleges zajt, különösen a magasabb frekvenciákon. A T hullám frekvenciája 0-10 Hz, a P hullám 5-30 Hz, a QRS komplex 8-50 Hz tartományban van. A kóros kamrai vezetést azonban magasabb frekvenciák jellemzik, jellemzően 70 Hz felett. Ezért a 150 Hz -et választottuk határfrekvenciának, hogy biztosítsuk, hogy minden frekvenciát, még a magasabb frekvenciákat is rögzíthessük, miközben csökkentjük a nagyfrekvenciás zajt. A 150 Hz -es határfrekvencia mellett a minőségi tényező, K, 1 -re van állítva, mert nincs szükség további erősítésre. Először meghatároztuk az R1, R2, R3, R4, C1 és C2 értékeket az alábbi aluláteresztő szűrő tervezési egyenletei segítségével:

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

R2 = 1/[bC1C2R1⍵c^2]

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

R4 = K (R1+R2)

C2 körülbelül 10/fc uF

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

Ahol K = nyereség

⍵c = levágási frekvencia (rad/sec)

fc = határfrekvencia (Hz)

a = szűrési együttható = 1,414214

b = szűrési együttható = 1

Mivel az erősítés 1, R3 helyére egy nyitott áramkör, R4 helyére pedig rövidzárlat lép, ami feszültségkövetővé teszi. Ezért ezeket az értékeket nem kell megoldani. Először a C2 értékére oldottuk meg. Ha bekapcsoljuk az előző értékeket ebbe az egyenletbe, akkor a következőket kapjuk:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Ezután a C1 megoldható a C2 érték használatával.

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

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

Miután a kapacitásértékeket megoldottuk, R1 és R2 a következőképpen számítható ki:

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

Megfelelő ellenállásokkal építse fel az áramköri diagramon látható áramkört.

Ez az általános tervezés utolsó szakasza, és közvetlenül a bevágásszűrőtől balra lévő kenyértáblára kell építeni a bevágásszűrő kimenetével és az aluláteresztő szűrő bemeneti feszültségével. Ezt az áramkört ugyanazzal a kenyértáblával kell felépíteni, mint korábban, helyesen kiszámított ellenállásokkal és kapacitásokkal, valamint egy műveleti erősítővel. Miután az áramkört a 3. ábra kapcsolási rajza alapján felépítették, tesztelik. Ezen a ponton csak ezt a szakaszt kell tesztelni, ezért ne csatlakoztassa sem a műszer erősítőjéhez, sem a hornyos szűrőhöz. Ezért az Agilent E3631A egyenáramú tápegységet a +15 és -15 V kimeneti műveleti erősítő tápellátására használják a 4. és a 7. érintkezőre. a Vpp 1 V, és az eltolás 0 V. A pozitív bemenetet R1 -hez kell csatlakoztatni, a negatív bemenetet pedig a földhöz. A bemenetet szintén az oszcilloszkóp 1. csatornájához kell csatlakoztatni. A bemetszéses szűrő kimenete, amely a műveleti erősítő 6. érintkezőjéből származik, megjelenik az oszcilloszkóp 2. csatornáján. A váltakozó áramú söprést a frekvencia 10 Hz -től 300 Hz -ig történő változtatásával mérik és rögzítik. A frekvencia 10 Hz -es lépésekben növelhető, amíg el nem éri a 150 Hz -es határfrekvenciát. Ezután a frekvenciát 5 Hz -rel kell növelni, amíg el nem éri a 250 Hz -et. Nagyobb, 10 Hz -es lépésekkel lehet befejezni a söprést. A Vout/Vin arány és a fázisszög rögzítésre kerül. Ha a határfrekvencia nem 150 Hz, akkor az ellenállási értékeket módosítani kell annak biztosítására, hogy ez az érték valójában a határfrekvencia. A frekvenciaválasz-diagramnak olyannak kell lennie, mint a képen, ahol látható, hogy a határfrekvencia 150 Hz körül van.

5. lépés: Kombinálja mind a 3 összetevőt, és szimulálja az elektrokardiogramot (EKG)

Csatlakoztassa mindhárom lépést úgy, hogy vezetéket ad hozzá az előző komponens utolsó áramköri komponense és a következő alkatrész eleje között. A teljes áramkör a diagramon látható.

A funkciógenerátor segítségével szimuláljon egy másik EKG jelet a következővel: Ha az alkatrészeket sikeresen megépítették és csatlakoztatta, akkor az oszcilloszkóp kimenete a képen láthatónak kell lennie.

6. lépés: A DAQ Board beállítása

A DAQ tábla felett látható. Csatlakoztassa a számítógép hátuljához a bekapcsoláshoz, és helyezze az elkülönített analóg bemenetet a kártya 8. csatornájába (ACH 0/8). Csatlakoztasson két vezetéket az izolált analóg bemenet „1” és „2” jelű lyukaiba. Állítsa be a funkciógenerátort, hogy 1 Hz -es EKG jelet adjon ki, 500 VV Vpp értékkel és 0 V eltolással. Csatlakoztassa a funkciógenerátor kimenetét a szigetelt analóg bemenetbe helyezett vezetékekhez.

7. lépés: Nyissa meg a LabView -t, hozzon létre egy új projektet, és állítsa be a DAQ -asszisztenst

Nyissa meg a LabView szoftvert, hozzon létre egy új projektet, és nyisson meg egy új VI -t a fájl legördülő menüben. Kattintson jobb gombbal az oldalra az összetevőablak megnyitásához. Keresse meg a „DAQ Assistant Input” szót, és húzza a képernyőre. Ez automatikusan felhúzza az első ablakot.

Válassza a Jelzések beszerzése> Analóg bemenet> Feszültség lehetőséget. Ez felhúzza a második ablakot.

Válassza az ai8 lehetőséget, mert az izolált analóg bemenetet a 8. csatornába helyezi. Válassza a Befejezés lehetőséget az utolsó ablak felhúzásához.

Változtassa az Akvizíciós módot Folyamatos mintákra, a Mintákat olvasandó értékre 2k -ra, és a frekvenciát 1kHz -re. Ezután válassza az Futtatás lehetőséget az ablak tetején, és a fentiekhez hasonló kimenetnek kell megjelennie. Ha az EKG jel megfordul, egyszerűen kapcsolja át a funkciógenerátor és a DAQ kártya közötti csatlakozásokat. Ez azt mutatja, hogy sikeresen felveszi az EKG jelet! (Jaj!) Most kódolni kell, hogy elemezze!

8. lépés: Code LabView az EKG jel összetevőinek elemzéséhez és a szívverés kiszámításához

Használja a képen látható szimbólumokat a LabView -ban

Már elhelyezte a DAQ asszisztenst. A DAQ asszisztens átveszi a bemeneti jelet, amely analóg feszültségjel, amelyet vagy egy funkciógenerátor szimulál, vagy közvetlenül egy megfelelően elhelyezett elektródákhoz csatlakoztatott személytől kap. Ezt követően veszi ezt a jelet, és egy A/D átalakítón keresztül futtatja, folyamatos mintavételezéssel és 2000 leolvasandó minta paraméterével, 1 kHz mintavételi gyakorisággal, és 10 és 10 V -os maximális feszültségértékekkel. Ezt a kapott jelet ezután egy grafikonon adják ki, hogy vizuálisan is látható legyen. Ezt az átalakított hullámformát is felveszi, és hozzáad 5 -öt, hogy biztosítsa a negatív eltolódást, majd megszorozza 200 -mal, hogy a csúcsok jobban elkülönüljenek, nagyobbak és könnyebben elemezhetők legyenek. Ezután meghatározza a hullámforma max és min értékét az adott 2,5 másodperces ablakon belül a max/min operanduson keresztül. A kiszámított maximális értéket meg kell szorozni egy százalékkal, amely megváltoztatható, de általában 90% (0,9). Ezt az értéket hozzáadjuk a min értékhez, és küszöbként elküldjük a csúcsérzékelő operandusba. Ennek eredményeként a hullámforma gráf minden pontja, amely meghaladja ezt a küszöböt, csúcsként van definiálva és csúcsok tömbjeként mentve a csúcsdetektor -kezelőben. Ezt a csúcs tömböt két különböző függvényhez küldik. Ezen funkciók közül az egyik a csúcstömböt és a hullámforma kimenetet is kapja a maximális érték operátorától. Ezen a dt függvényen belül ez a két bemenet mindegyik csúcshoz időértékké alakul. A második függvény két index -operátorból áll, amelyek a csúcsérzékelő funkció helykimeneteit veszik és külön indexelik, hogy megkapják a 0. és az 1. csúcs helyét. A két hely közötti különbséget a mínusz operátor számítja ki, majd megszorozza a dt függvényből kapott időértékekkel. Ez másodpercben adja ki az időszakot, vagy a két csúcs közötti időt. Értelemszerűen 60 osztva az időszakkal BPM -et eredményez. Ezt az értéket egy abszolút operanduson keresztül futtatjuk, hogy megbizonyosodjunk arról, hogy a kimenet mindig pozitív, majd a legközelebbi egész számra kerekítjük. Ez az utolsó lépés a pulzusszámításhoz és végül a hullámforma kimenettel azonos képernyőre történő kimenethez. Végezetül a blokkdiagramnak így kell kinéznie az első képen.

A blokkdiagram kitöltése után, ha futtatja a programot, meg kell kapnia a képen látható kimenetet.

9. lépés: Kombinálja az áramkört és a LabView összetevőket, és csatlakoztassa egy valódi személyhez

Most a szórakoztató részhez! A gyönyörű áramkör és a LabView program kombinálásával valódi EKG -t kaphat, és kiszámíthatja a pulzusszámát. Annak érdekében, hogy az áramkört úgy alakítsák át, hogy az megfeleljen az embernek, és életképes jelet állítson elő, a műszererősítő erősítését 100 -as erősítésre kell csökkenteni. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy amikor egy személyhez csatlakozik, akkor van egy eltolás, amely majd telíti a műveleti erősítőt. A nyereség csökkentésével ez csökkenti ezt a problémát. Először is, a műszeres erősítő első fokozatának erősítését 4 -es erősítésre változtatják, így az összes erősítés 100. Ezután az 1. egyenlet segítségével R2 értéke 19,5 kΩ, R1 pedig a következő:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 kΩ Ezután a műszeres erősítőt úgy módosítjuk, hogy az R1 ellenállását 13 kΩ -ra változtatjuk, amint azt a korábban épített kenyérsütő lemez 2. lépése mutatja. A teljes áramkör csatlakoztatva van, és az áramkör tesztelhető a LabView segítségével. Az Agilent E3631A egyenáramú tápegység táplálja a +15 V és -15 V kimeneti teljesítményű műveleti erősítőket a 4. és 7. érintkezőkhöz. Az EKG elektródák a bal bokáig vezető pozitív vezetékkel (G1) vannak a témához csatlakoztatva. negatív ólom (G2) a jobb csuklóhoz, a talaj (COM) pedig a jobb bokához. A humán bemenetnek az áramkör első szakaszában lévő műveleti erősítők 3. érintkezőjére kell kerülnie úgy, hogy a pozitív vezeték az első műveleti erősítő 3. érintkezőjéhez van csatlakoztatva, a negatív vezeték pedig a második műveleti erősítő 3. tűjéhez. A föld csatlakozik a kenyértábla talajához. Az erősítő kimenete, amely az aluláteresztő szűrő 6. érintkezőjéből származik, a DAQ kártyához van csatlakoztatva. Ügyeljen arra, hogy nagyon csendes és csendes legyen, és a LabView -ban olyan kimenetet kell kapnia, amely hasonlít a képen láthatóhoz.

Ez a jel nyilvánvalóan sokkal zajosabb, mint a funkciógenerátor által szimulált tökéletes jel. Ennek eredményeként a pulzusszáma nagyot ugrik, de ingadoznia kell 60-90 BPM tartományban. És ott van! Egy szórakoztató módszer saját pulzusunk mérésére egy áramkör építésével és néhány szoftver kódolásával!