EKG ja pulsi virtuaalne kasutajaliides: 9 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:50

Selle juhise jaoks näitame teile, kuidas ehitada vooluring, mis võtab teie südame löögisageduse vastu ja kuvab selle virtuaalsele kasutajaliidesele (VUI), millel on teie südamelöögi ja pulsi graafiline väljund. See nõuab andmete analüüsimiseks ja väljastamiseks suhteliselt lihtsat vooluahela komponentide ja tarkvara LabView kombinatsiooni. See ei ole meditsiiniseade. See on mõeldud ainult hariduslikel eesmärkidel, kasutades simuleeritud signaale. Kui kasutate seda vooluringi tegelikes EKG mõõtmistes, veenduge, et vooluahel ja vooluahela-seadme ühendused kasutavad õigeid eraldusvõtteid.

Materjalid

Ahel:

• Leibalaud:
• Takistid:
• Kondensaatorid:
• Op Amps:
• Vooluahela juhtmed (sisaldub leivalaua lingis)
• Alligaatori klambrid
• Banaani akordid
• Agilent E3631A alalisvoolu toiteallikas
• Funktsiooni generaator
• Ostsilloskoop

LabView:

• LabView tarkvara
• DAQ -plaat
• Ahela juhtmed
• Isoleeritud analoogsisend
• Funktsiooni generaator

Samm: määrake kasutatavad filtrid ja võimendid

EKG signaali kujutamiseks kavandati ja rakendati kolm erinevat vooluahela etappi: mõõteriistade võimendi, sälgufilter ja madalpääsfilter. Seadmevõimendi võimendab signaali nii, nagu objektilt saadud signaal on sageli väga väike ning seda on raske näha ja analüüsida. Sälgufiltrit kasutatakse müra eemaldamiseks sagedusel 60 Hz, kuna EKG signaal ei sisalda 60 Hz sagedusi. Lõpuks eemaldab madalpääsfilter signaalilt müra eemaldamiseks kõrgemad sagedused ja koos sälkfiltriga võimaldab ainult EKG-signaalis esitatud sagedusi.

2. samm: ehitage mõõteriistade võimendi ja katsetage seda

Võimendi võimendus peab olema 1000 V/V ja nagu näha, koosneb võimendi kahest astmest. Seetõttu tuleb võimendus jaotada kahe etapi vahel ühtlaselt, kusjuures K1 on esimese etapi võimendus ja K2 teise etapi võimendus. Me määrasime, et K1 on 40 ja K2 on 25. Need on vastuvõetavad väärtused, kuna korrutamisel saadakse võimendus 1000 V/V, 40 x 25 = 1000 ja need on võrreldavas suuruses. dispersioon 15 V/V. Kasutades neid väärtusi võimenduseks, saab seejärel arvutada õiged takistused. Nende arvutuste jaoks kasutatakse järgmisi võrrandeid:

1. etapi võimendus: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

2. etapi võimendus: K2 = -R4R3 (2)

Valisime meelevaldselt väärtuse R1, antud juhul oli see 1 kΩ ja seejärel lahendati R2 väärtuse jaoks. Ühendades need varasemad väärtused 1. astme võimenduse võrrandisse, saame:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Oluline on tagada, et takistuste valimisel oleksid need kOhm vahemikus rusikareegli tõttu, et mida suurem on takisti, seda suurem võimsus saab ohutult hajutada ilma kahjustusi kandmata. Kui takistus on liiga väike ja vool on liiga suur, kahjustatakse takisti ja lisaks ei saa ahel ise töötada. Järgides sama etapi 2. etapi protokolli, valisime meelevaldselt väärtuse R3, 1 kΩ ja lahendasime seejärel R4 jaoks. Ühendades eelmised väärtused 2. astme võimenduse võrrandisse, saame: 25 = -R4*1000 ⇒R4 = 25000 Ω

Negatiivne märk eitatakse, kuna takistused ei saa olla negatiivsed. Kui need väärtused on olemas, looge järgmine skeem pildil. Testige siis!

Agilent E3631A alalisvoolu toiteallikas toidab operatsioonivõimendeid, mille väljund on +15 V ja -15 V, pinge 4 ja 7. Seadistage funktsioonigeneraator väljastama südame lainekuju sagedusega 1 kHz, Vpp 12,7 mV, ja nihe 0 V. See sisend peaks olema vooluahela esimeses etapis asuvate operatsioonivõimendite 3. tihvtiga. Võimendi väljund, mis pärineb teise astme operatsioonivõimendi tihvtist 6, kuvatakse ostsilloskoobi 1. kanalil ning mõõdetakse ja registreeritakse pinge tipp-tipp. Selleks, et mõõteriistade võimendi võimendus oleks vähemalt 1000 V/V, peaks pinge tipp-tipp olema vähemalt 12,7 V.

Samm: ehitage sälgufilter ja katsetage seda

Sälkfilter on vajalik biosignaalilt 60 Hz müra eemaldamiseks. Lisaks sellele nõudele, kuna see filter ei pea sisaldama täiendavat võimendust, on kvaliteediteguriks seatud 1. Nagu mõõteriistade võimendi puhul, määrasime kõigepealt väärtused R1, R2, R3 ja C, kasutades järgmist konstruktsiooni sälgufiltri võrrandid: R1 = 1/(2Q⍵0C)

R2 = 2Q/(⍵0C)

R3 = R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β = ⍵c2 -⍵c1

Kus Q = kvaliteeditegur

⍵0 = 2πf0 = kesksagedus rad/sek

f0 = kesksagedus Hz

β = ribalaius rad/sek

⍵c1, ⍵c2 = piirsagedused (rad/sek)

Valisime meelevaldselt väärtuse C, antud juhul oli see 0, 15 µF ja seejärel lahendati R1 väärtuse jaoks. Ühendades eelmised kvaliteediteguri, kesksageduse ja mahtuvuse väärtused, saame:

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

Nagu eespool mõõteriistade võimendi disaini arutamisel mainitud, on siiski oluline veenduda, et takistuste lahendamisel, mis on kOhm vahemikus, ei kahjustaks vooluringi. Kui takistuste lahendamisel on üks liiga väike, tuleks väärtust, näiteks mahtuvust, muuta, et seda ei juhtuks. Sarnaselt R1, R2 ja R3 võrrandi lahendamisega saab lahendada:

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

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

Lisaks lahendage ribalaius, et seda saaks hiljem teoreetilise väärtusega võrrelda katseväärtusega.

1 = (2π60)/β⇒β = 47,12 rad/sek

Kui teate takistuse väärtusi, ehitage leivaplaadile ahel.

Sel hetkel tuleb katsetada ainult seda vooluahela etappi, nii et seda ei tohiks ühendada mõõteriistade võimendiga. Agilent E3631A alalisvoolu toiteallikat kasutatakse operatsioonivõimendi toiteks, mille väljund on +15 V ja -15 V, pinge 4 ja 7. Funktsioonigeneraator on seatud väljastama sinusoidaalset lainekuju algsagedusega 10 Hz, a Vpp 1 V ja nihe 0 V. Positiivne sisend tuleks ühendada R1 -ga ja negatiivne sisend maandusega. Sisend tuleks ühendada ka ostsilloskoobi 1. kanaliga. Ostsilloskoobi 2. kanalil kuvatakse sälgufiltri väljund, mis pärineb operatsioonivõimendi kontaktist 6. Vahelduvvoolu pühkimist mõõdetakse ja registreeritakse, muutes sagedust 10 Hz kuni 100 Hz. Sagedust saab suurendada 10 Hz kaupa, kuni saavutatakse sagedus 50. Seejärel kasutatakse 2 Hz sammu kuni 59 Hz. Kui 59 Hz on saavutatud, tuleks teha sammu 0,1 Hz. Pärast 60 Hz saavutamist saab samme uuesti suurendada. Vout/Vin suhe ja faasinurk tuleb registreerida. Kui Vout/Vin suhe on 60 Hz juures vähemalt -20 dB, tuleb selle suhte tagamiseks takistusväärtusi muuta. Seejärel koostatakse nendest andmetest sagedusreaktsiooni graafik ja faasivastuse graafik. Sagedusreaktsioon peaks graafikus välja nägema selline, mis tõestab, et sagedused umbes 60 Hz eemaldatakse, mida soovite!

Samm: looge madalpääsfilter ja katsetage seda

Madalpääsfiltri katkestussageduseks määratakse 150 Hz. See väärtus valiti seetõttu, et soovite säilitada kõik EKG -s esinevad sagedused, eemaldades samal ajal liigse müra, eriti kõrgematel sagedustel. T-laine sagedus on vahemikus 0-10 Hz, P-laine vahemikus 5-30 Hz ja QRS-kompleks vahemikus 8-50 Hz. Ebanormaalset vatsakeste juhtivust iseloomustavad aga kõrgemad sagedused, tavaliselt üle 70 Hz. Seetõttu valiti 150 Hz helisageduseks, et tagada kõigi sageduste, isegi kõrgemate sageduste jäädvustamine, samal ajal kõrgsageduslikku müra katkestades. Lisaks 150 Hz piirsagedusele on kvaliteeditegur K seatud väärtusele 1, kuna täiendavat võimendust pole vaja. Esmalt määrasime R1, R2, R3, R4, C1 ja C2 väärtused, kasutades madalpääsfiltri jaoks järgmisi disainivõrrandeid:

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

R2 = 1/[bC1C2R1⍵c^2]

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

R4 = K (R1+R2)

C2 umbes 10/fc uF

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

Kus K = võimendus

⍵c = katkestussagedus (rad/sek)

fc = katkestussagedus (Hz)

a = filtritegur = 1,414214

b = filtritegur = 1

Kuna võimendus on 1, asendatakse R3 avatud ahelaga ja R4 asendatakse lühisega, mis muudab selle pinge järgijaks. Seetõttu ei pea neid väärtusi lahendama. Kõigepealt lahendasime C2 väärtuse. Selle võrrandi eelmised väärtused ühendades saame:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Seejärel saab C1 lahendada, kasutades väärtust C2.

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

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

Kui mahtuvusväärtused on lahendatud, saab R1 ja R2 arvutada järgmiselt.

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

Õige takistuse korral ehitage skeemil näidatud vooluahel.

See on üldise disaini viimane etapp ja see tuleks ehitada leivaplaadile otse sälkfiltrist vasakule, sälgufiltri väljundi ja madalpääsfiltri sisendpingega. See vooluahel tuleb ehitada, kasutades sama leivaplaati nagu varem, õigesti arvutatud takistuste ja mahtuvustega ning ühe operatsioonivõimendiga. Kui vooluahel on üles ehitatud joonisel 3 toodud skeemi abil, testitakse seda. Praegu tuleb katsetada ainult seda etappi, nii et seda ei tohiks ühendada mõõteriistade võimendi ega sälkfiltriga. Seetõttu kasutatakse Agilent E3631A alalisvoolu toiteallikat operatiivvõimendi toiteks, mille väljund on +15 ja -15 V, mis läheb pingele 4 ja 7. Funktsioonigeneraator on seatud väljastama sinusoidaalset lainekuju algsagedusega 10 Hz, a Vpp 1 V ja nihe 0 V. Positiivne sisend tuleks ühendada R1 -ga ja negatiivne sisend maandusega. Sisend tuleks ühendada ka ostsilloskoobi 1. kanaliga. Ostsilloskoobi 2. kanalil kuvatakse sälgufiltri väljund, mis pärineb operatsioonivõimendi kontaktist 6. Vahelduvvoolu pühkimist mõõdetakse ja registreeritakse, muutes sagedust vahemikus 10 Hz kuni 300 Hz. Sagedust saab suurendada 10 Hz sammuga kuni 150 Hz piirsageduseni. Seejärel tuleks sagedust suurendada 5 Hz võrra, kuni see jõuab 250 Hz -ni. Pühkimise lõpetamiseks võib kasutada suuremaid 10 Hz samme. Salvestatakse Vout/Vin suhe ja faasinurk. Kui katkestussagedus ei ole 150 Hz, tuleb takistuse väärtusi muuta, et veenduda, et see väärtus on tegelikult piirsagedus. Sagedusreaktsiooni graafik peaks välja nägema nagu pildil, kus on näha, et piirsagedus on umbes 150 Hz.

Samm: ühendage kõik kolm komponenti ja simuleerige elektrokardiogrammi (EKG)

Ühendage kõik kolm etappi, lisades juhtme eelmise komponendi viimase vooluahela komponendi vahele järgmise komponendi algusesse. Kogu vooluahel on näha diagrammil.

Simuleerige funktsioonigeneraatori abil teist EKG -signaali. Kui komponendid on edukalt üles ehitatud ja ühendatud, peaks ostsilloskoobi väljund pildil välja nägema.

Samm: seadistage DAQ -plaat

DAQ tahvli kohal on näha. Toite sisselülitamiseks ühendage see arvuti tagaosaga ja asetage eraldatud analoogsisend plaadi 8. kanalisse (ACH 0/8). Sisestage kaks juhtmest isoleeritud analoogsisendi aukudesse 1 ja 2. Seadistage funktsioonigeneraator väljastama 1 Hz EKG signaali, mille Vpp on 500 mV ja nihkega 0 V. Ühendage funktsioonigeneraatori väljund isoleeritud analoogsisendisse paigutatud juhtmetega.

Samm: avage LabView, looge uus projekt ja seadistage DAQ assistent

Avage LabView tarkvara ja looge uus projekt ning avage failide rippmenüü all uus VI. Komponendi akna avamiseks paremklõpsake lehte. Otsige üles „DAQ Assistant Input” ja lohistage see ekraanile. See tõmbab automaatselt esimese akna üles.

Valige Signaalide hankimine> Analoogsisend> Pinge. See tõmbab teise akna üles.

Valige ai8, kuna panite isoleeritud analoogsisendi kanalisse 8. Viimase akna avamiseks valige Lõpeta.

Muutke hankimisrežiim pidevateks näidisteks, näidised lugemiseks 2 k -ks ja sagedus 1 kHz -ks. Seejärel valige akna ülaosas Käivita ja ülaltoodud väljund peaks ilmuma. Kui EKG signaal on ümberpööratud, lülitage lihtsalt funktsioonigeneraatori ühendused ümber DAQ -plaadiga. See näitab, et olete edukalt saanud EKG signaali! (Jah!) Nüüd peate selle analüüsimiseks kodeerima!

8. samm: kodeerige LabView, et analüüsida EKG signaali komponente ja arvutada südamelööke

Kasutage LabView's pildil olevaid sümboleid

Olete DAQ assistendi juba paigutanud. DAQ Assistant võtab sisendsignaali, mis on analoogpingesignaal, kas simuleeritud funktsioonigeneraatori poolt või saadud otse inimeselt, kes on ühendatud sobivalt paigutatud elektroodidega. Seejärel võtab see signaali vastu ja viib selle läbi A/D muunduri, mille pidev proovivõtmine ja 2000 näidise parameetrite lugemine, 1 kHz diskreetimissagedus ning max ja min pinge väärtused on vastavalt 10V ja -10V. See väljastatud signaal väljastatakse seejärel graafikul, nii et seda saab visuaalselt näha. See võtab ka selle teisendatud lainekuju ja lisab 5, et tagada selle negatiivne nihe ja korrutatakse seejärel 200 -ga, et muuta piigid selgemaks, suuremaks ja hõlpsamini analüüsitavaks. Seejärel määrab see max/min operandi kaudu lainekuju max ja min väärtuse antud 2,5 sekundi aknas. Arvutatud maksimumväärtus tuleb korrutada protsendiga, mida saab muuta, kuid tavaliselt 90% (0,9). Seejärel lisatakse see väärtus minimaalsele väärtusele ja saadetakse piigi tuvastamise operandiks lävena. Selle tulemusel määratletakse iga lainekuju graafiku punkt, mis ületab selle künnise, piigina ja salvestatakse tippude massiivina piikdetektori operaatorisse. See piikide massiiv saadetakse seejärel kahele erinevale funktsioonile. Üks neist funktsioonidest saab maksimaalse väärtuse operaatori poolt nii tippmassiivi kui ka lainekuju väljundi. Selle funktsiooni dt korral teisendatakse need kaks sisendit iga piigi ajaväärtuseks. Teine funktsioon koosneb kahest indeksioperaatorist, kes võtavad piigi tuvastamise funktsiooni asukohaväljundid ja indekseerivad need eraldi, et saada 0. tipu ja 1. tipu asukohad. Nende kahe asukoha vahe arvutab miinusoperaator ja korrutab seejärel funktsiooniga dt saadud ajaväärtustega. See väljastab perioodi või aja kahe piigi vahel sekundites. Definitsiooni järgi annab 60 jagatud perioodiga BPM -i. Seejärel viiakse see väärtus läbi absoluutse operandi, veendumaks, et väljund on alati positiivne ja ümardatakse seejärel lähima täisarvuni. See on viimane samm südame löögisageduse arvutamisel ja lõpuks väljumisel lainekuju väljundiga samale ekraanile. Lõppkokkuvõttes peaks selline plokkskeem välja nägema nagu esimene pilt.

Pärast plokkskeemi täitmist peaksite programmi käivitamisel saama väljundi.

Samm: ühendage vooluring ja LabView komponendid ning ühendage see tõelise inimesega

Nüüd lõbus osa! Kombineerides oma ilusa vooluringi ja programmi LabView, et saada tõeline EKG ja arvutada selle pulss. Selleks, et muuta vooluahelat nii, et see vastaks inimesele ja tooks välja elujõulise signaali, tuleb mõõteriistade võimendi võimendust vähendada 100 -ni. See on tingitud asjaolust, et inimesega ühendamisel on nihe, mis seejärel küllastab operatsioonivõimendi. Kasumi vähendamisega vähendab see probleemi. Esiteks muudetakse mõõteriistavõimendi esimese astme võimendust võimenduseks 4, nii et üldine võimendus on 100. Seejärel kasutatakse võrrandit 1 kasutades R2 väärtuseks 19,5 kΩ ja R1 on järgmine:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 kΩ Seejärel muudetakse mõõteriistade võimendit, muutes R1 takistust 13 kΩ, nagu on näidatud eelnevalt ehitatud leivaplaadil. Kogu vooluahel on ühendatud ja vooluringi saab testida LabView abil. Agilent E3631A alalisvoolu toiteallikas toidab operatsioonivõimendeid, mille väljund on +15 V ja -15 V, pinge 4 ja 7. EKG elektroodid on subjektiga ühendatud positiivse juhtmega (G1) vasakule hüppeliigesele, negatiivne plii (G2) läheb paremale randmele ja maapind (COM) paremale pahkluule. Inimese sisend peaks olema vooluahela esimese etapi operatsioonivõimendite 3. tihvt, kus positiivne juhe on ühendatud esimese operatsioonivõimendi kontaktiga 3 ja negatiivne juhe teise operatsioonivõimendi kontaktiga 3. Maa ühendatakse leivaplaadi maapinnaga. Võimendi väljund, mis pärineb madalpääsfiltri 6. tihvtist, on DAQ-plaadi külge kinnitatud. Olge kindlasti väga vaikne ja vaikne ning peaksite LabView'is saama väljundi, mis näeb välja sarnane pildil olevaga.

See signaal on ilmselgelt palju mürarikkam kui täiuslik signaal, mida funktsioonigeneraator simuleerib. Selle tulemusel hüppab teie pulss palju ringi, kuid peaks kõikuma vahemikus 60–90 lööki minutis. Ja seal see on! Lõbus viis oma pulsi mõõtmiseks, luues vooluringi ja kodeerides tarkvara!