EKG en hartklop virtuele gebruikerskoppelvlak: 9 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:27

Vir hierdie instruksies, sal ons u wys hoe u 'n kring kan bou om u hartklop te ontvang en dit op 'n virtuele gebruikerskoppelvlak (VUI) te vertoon met 'n grafiese uitset van u hartklop en u hartklop. Dit verg 'n relatief eenvoudige kombinasie van stroombaankomponente en die sagteware LabView om die data te ontleed en uit te voer. Dit is nie 'n mediese toestel nie. Dit is slegs vir opvoedkundige doeleindes met behulp van gesimuleerde seine. As u hierdie kring vir werklike EKG-metings gebruik, moet u seker maak dat die stroombaan en die kring-tot-instrumentverbindings die regte isolasie tegnieke gebruik.

Materiaal

Kring:

• Breadboard:
• Weerstande:
• Kapasitors:
• Op versterkers:
• Kringdrade (ingesluit in die Breadboard -skakel)
• Alligator clips
• Piesang akkoorde
• Agilent E3631A DC kragbron
• Funksie Generator
• Ossilloskoop

LabView:

• LabView sagteware
• DAQ raad
• Kringdrade
• Geïsoleerde analoog insette
• Funksie kragopwekker

Stap 1: Bepaal watter filters en versterkers u moet gebruik

Om 'n EKG-sein voor te stel, is drie verskillende fases van die stroombaan ontwerp en geïmplementeer: 'n instrumentasieversterker, 'n kerffilter en 'n laagdeurlaatfilter. Die instrumentasie -versterker versterk die sein, want as dit van 'n onderwerp ontvang word, is dit baie klein en moeilik om te sien en te ontleed. Die kerffilter word gebruik om geraas by 60Hz te verwyder omdat 'n EKG -sein nie seine by 60Hz bevat nie. Laastens verwyder die laagdeurlaatfilter hoër frekwensies om geraas van die sein te verwyder, en in kombinasie met die kerffilter kan slegs die frekwensies wat in 'n EKG-sein voorgestel word, toegelaat word.

Stap 2: Bou instrumentasieversterker en toets dit

Die versterker moet 'n versterking van 1000 V/V hê, en soos dit gesien kan word, bestaan die versterker uit twee fases. Daarom moet die wins eweredig oor die twee fases verdeel word, met K1 die wins van die eerste fase en K2 die wins van die tweede fase. Ons het bepaal dat K1 40 en K2 25. Dit is aanvaarbare waardes, omdat dit by 'n vermenigvuldiging 'n wins van 1000 V/V kry, 40 x 25 = 1000, en dit is 'n soortgelyke hoeveelheid, met 'n afwyking van 15 V/V. Deur hierdie waardes vir die wins te gebruik, kan die regte weerstande dan bereken word. Die volgende vergelykings word vir hierdie berekeninge gebruik:

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

Fase 2 wins: K2 = -R4R3 (2)

Ons het willekeurig 'n waarde van R1 gekies, in hierdie geval was dit 1 kΩ en daarna opgelos vir die waarde van R2. As ons die vorige waardes in die vergelyking aansluit vir die fase 1 -wins, kry ons:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Dit is belangrik om te verseker dat by die keuse van die weerstande hulle in die kOhm -reeks is, vanweë die duimreël dat hoe groter die weerstand is, hoe meer krag veilig kan verdwyn sonder om skade te ly. As die weerstand te klein is en die stroom te groot is, is daar skade aan die weerstand en kan die stroombaan self nie funksioneer nie. Volgens dieselfde protokol vir fase 2, het ons willekeurig 'n waarde van R3, 1 kΩ gekies en daarna vir R4 opgelos. As ons die vorige waardes in die vergelyking vir die fase 2 -wins aansluit, kry ons: 25 = -R4*1000 ⇒R4 = 25000 Ω

Die negatiewe teken word ontken, aangesien weerstande nie negatief kan wees nie. Sodra u hierdie waardes het, bou die volgende stroombaan op die foto. Toets dit dan!

Die Agilent E3631A DC -kragtoevoer voed die operasionele versterkers met 'n uitset van +15 V en -15 V na penne 4 en 7. Stel die funksiegenerator in om 'n hartgolfvorm met 'n frekwensie van 1 kHz, 'n Vpp van 12.7 mV, uit te voer en 'n offset van 0 V. Hierdie invoer behoort te wees aan pen 3 van die operasionele versterkers in die eerste fase van die kring. Die uitset van die versterker, afkomstig van pen 6 van die operasionele versterker van die tweede fase, word op kanaal 1 van die ossilloskoop vertoon en die spanning piek-tot-piek word gemeet en aangeteken. Om te verseker dat die instrumentversterker 'n versterking van ten minste 1000 V/V het, moet die spanning piek-tot-piek minstens 12,7 V. wees

Stap 3: Bou 'n kerffilter en toets dit

Die kerffilter is nodig om 60 Hz -geraas uit die biosignaal te verwyder. Benewens hierdie vereiste, omdat hierdie filter geen verdere versterking hoef in te sluit nie, word die kwaliteitsfaktor op 1. Soos met die instrumentasieversterker, het ons eers die waardes vir R1, R2, R3 en C bepaal deur gebruik te maak van die volgende ontwerp vergelykings vir 'n kerffilter: R1 = 1/(2Q⍵0C)

R2 = 2Q/(⍵0C)

R3 = R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β = ⍵c2 -⍵c1

Waar Q = kwaliteitsfaktor

⍵0 = 2πf0 = middelfrekwensie in rad/sek

f0 = middelfrekwensie in Hz

β = bandwydte in rad/sek

⍵c1, ⍵c2 = afsnyprekwensies (rad/sek)

Ons het willekeurig 'n waarde van C gekies, in hierdie geval was dit 0,15 µF en daarna opgelos vir die waarde van R1. As ons die vorige waardes van die kwaliteitsfaktor, middelfrekwensie en kapasitansie inskakel, kry ons:

R1 = 1/(2 (1) (2π60) (0.15x10-6)) = 1105.25 Ω

Soos hierbo genoem, tydens die bespreking van die ontwerp van die instrumentasie versterker, is dit steeds belangrik om seker te maak dat daar geen skade aan die stroombaan is as u die weerstande in die kOhm -reeks oplos nie. As die weerstand te klein is, moet 'n waarde, soos die kapasitansie, verander word om te verseker dat dit nie gebeur nie. Net soos die oplossing van die vergelyking vir R1, R2 en R3 kan opgelos word:

R2 = 2 (1)/[(2π60) (0.15x10-6)] = 289.9 kΩ

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

Los ook die bandwydte op om dit as 'n teoretiese waarde te hê om later met die eksperimentele waarde te vergelyk:

1 = (2π60)/β⇒β = 47,12 rad/sek

Sodra u weet, bou die weerstandswaardes 'n stroombaan op die broodbord.

Op hierdie stadium moet slegs hierdie fase van die stroombaan getoets word, dus moet dit nie aan die instrumentasieversterker gekoppel word nie. Die Agilent E3631A DC -kragbron word gebruik om die operasionele versterker met 'n uitset van +15 V en -15 V na penne 4 en 7. van krag te voorsien. Vpp van 1 V, en 'n offset van 0 V. Die positiewe inset moet aan R1 gekoppel word en die negatiewe inset moet met die aarde gekoppel word. Die invoer moet ook aan kanaal 1 van die ossilloskoop gekoppel word. Die uitset van die kerffilter, afkomstig van pen 6 van die operasionele versterker, word op kanaal 2 van die ossilloskoop vertoon. 'N Wisselstroom -sweep word gemeet en aangeteken deur die frekwensie van 10 Hz tot 100 Hz te wissel. Die frekwensie kan verhoog word met inkremente van 10 Hz totdat dit 'n frekwensie van 50 bereik. Dan word inkremente van 2 Hz gebruik tot 59 Hz. Sodra 59 Hz bereik is, moet stappe van 0,1 Hz geneem word. Nadat 60 Hz bereik is, kan die inkremente weer verhoog word. Die Vout/Vin -verhouding en fasehoek moet aangeteken word. As die Vout/Vin -verhouding nie minder as of gelyk is aan -20 dB by 60 Hz, moet die weerstandswaardes verander word om hierdie verhouding te verseker. 'N Frequensieresponsgrafiek en fase -responsplot word dan saamgestel uit hierdie data. Die frekwensierespons moet so lyk in die grafiek, wat bewys dat frekwensies rondom 60Hz verwyder is, wat u wil hê!

Stap 4: Bou 'n laagdeurlaatfilter en toets dit

Die afsnyfrekwensie van die laagdeurlaatfilter word bepaal as 150 Hz. Hierdie waarde is gekies omdat u alle frekwensies in die EKG wil behou terwyl u die oortollige geraas verwyder, spesifiek by hoër frekwensies. Die frekwensie van die T-golf lê in die reeks van 0-10 Hz, die P-golf tussen 5-30 Hz en die QRS-kompleks in die reeks 8-50 Hz. Abnormale ventrikulêre geleiding word egter gekenmerk deur hoër frekwensies, tipies bo 70 Hz. Daarom is 150 Hz gekies as die afsnyfrekwensie om te verseker dat ons alle frekwensies, selfs die hoër frekwensies, kan vaslê terwyl ons hoëfrekwensie -geraas afsny. Benewens die afsnyfrekwensie van 150 Hz, word die kwaliteitsfaktor, K, op 1 gestel omdat geen verdere versterking nodig is nie. Ons het eers die waardes vir R1, R2, R3, R4, C1 en C2 bepaal deur gebruik te maak van die volgende ontwerpvergelykings vir 'n laagdeurlaatfilter:

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

R2 = 1/[bC1C2R1⍵c^2]

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

R4 = K (R1+R2)

C2 ongeveer 10/fc uF

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

Waar K = wins

⍵c = afsnyfrekwensie (rad/sek)

fc = afsnyfrekwensie (Hz)

a = filterkoëffisiënt = 1.414214

b = filterkoëffisiënt = 1

Omdat die versterking 1 is, word R3 vervang deur 'n oop kring en R4 word vervang deur 'n kortsluiting, wat dit 'n spanningsvolger maak. Daarom hoef hierdie waardes nie opgelos te word nie. Ons het eers opgelos vir die waarde van C2. As ons die vorige waardes by die vergelyking aansluit, kry ons:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Dan kan C1 opgelos word met die waarde van C2.

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

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

Sodra die kapasitansie waardes opgelos is, kan R1 en R2 soos volg bereken word:

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

Met die regte weerstande bou die stroombaan wat in die stroombaan -diagram gesien word.

Dit is die laaste fase van die algehele ontwerp en moet op die broodbord gebou word, links van die kerffilter, met die uitset van die kerffilter en die ingangsspanning vir die laagdeurlaatfilter. Hierdie stroombaan moet met dieselfde broodbord as voorheen gebou word, met die korrek berekende weerstande en kapasitansies, en een operasionele versterker. Sodra die stroombaan gebou is met behulp van die stroombaandiagram in figuur 3, word dit getoets. Op hierdie stadium moet slegs hierdie fase getoets word, dus dit moet nie aan die instrumentasieversterker of die kerffilter gekoppel word nie. Daarom word die Agilent E3631A DC -kragtoevoer gebruik om die operasionele versterker met 'n uitset van +15 en -15 V na penne 4 en 7. van krag te voorsien. 'n Vpp van 1 V, en 'n offset van 0 V. Die positiewe inset moet aan R1 gekoppel word en die negatiewe inset moet op die aarde gekoppel word. Die invoer moet ook aan kanaal 1 van die ossilloskoop gekoppel word. Die uitset van die kerffilter, afkomstig van pen 6 van die operasionele versterker, word op kanaal 2 van die ossilloskoop vertoon. 'N Wisselstroom -sweep word gemeet en aangeteken deur die frekwensie van 10 Hz tot 300 Hz te wissel. Die frekwensie kan met 10 Hz verhoog word totdat die afsnyfrekwensie van 150 Hz bereik word. Dan moet die frekwensie met 5 Hz verhoog word totdat dit 250 Hz bereik. Hoër inkremente van 10 Hz kan gebruik word om die sweep af te handel. Die Vout/Vin -verhouding en fasehoek word aangeteken. As die afsnyfrekwensie nie 150 Hz is nie, moet die weerstandswaardes verander word om te verseker dat hierdie waarde in werklikheid die afsnyfrekwensie is. Die frekwensieresponsplot moet soos die prentjie lyk, waar u kan sien dat die afsnyfrekwensie ongeveer 150Hz is.

Stap 5: Kombineer al drie komponente en simuleer elektrokardiogram (EKG)

Verbind al drie fases deur 'n draad tussen die laaste stroombaankomponent van die vorige komponent aan die begin van die volgende komponent te voeg. Die volledige stroombaan word in die diagram gesien.

Simuleer die funksiegenerator met 'n ander EKG -sein deur As die komponente suksesvol gebou en verbind is, behoort u uitset op die ossilloskoop op die prentjie so te lyk.

Stap 6: Stel DAQ Board op

Bo die DAQ -bord kan gesien word. Koppel dit aan die agterkant van die rekenaar om dit aan te skakel en plaas die Isolated Analog Input in kanaal 8 van die bord (ACH 0/8). Steek twee drade in die gate gemerk '1' en '2' van die Isolated Analog Input. Stel die funksiegenerator op om 'n EKG -sein van 1Hz uit te voer met 'n Vpp van 500mV en 'n offset van 0V. Koppel die uitset van die funksiegenerator aan die drade wat in die Isolated Analog Input geplaas is.

Stap 7: Maak LabView oop, skep 'n nuwe projek en stel die DAQ Assistant op

Maak die LabView -sagteware oop en skep 'n nuwe projek en maak 'n nuwe VI oop in die keuselys. Klik met die rechtermuisknop op die bladsy om 'n komponentvenster oop te maak. Soek 'DAQ Assistant Input' en sleep dit na die skerm. Dit sal die eerste venster outomaties optrek.

Kies Seine bekom> Analoog insette> Spanning. Dit sal die tweede venster optrek.

Kies ai8 omdat u u geïsoleerde analoog invoer in kanaal 8 geplaas het. Kies Voltooi om die laaste venster op te tel.

Verander die verkrygingsmodus na deurlopende monsters, die monsters om te lees na 2k en die tempo na 1kHz. Kies dan Uitvoering bo -aan u venster, en 'n uitset soos hierbo gesien moet verskyn. As die EKG -sein omgekeerd is, skakel die verbindings van die funksiegenerator na die DAQ -bord om. Dit toon dat u 'n EKG -sein suksesvol kry! (Yay!) Nou moet jy dit kodeer om dit te ontleed!

Stap 8: Kode LabView om die komponente van die EKG -sein te ontleed en die hartklop te bereken

Gebruik die simbole in die prent in LabView

U het reeds die DAQ Assistant geplaas. Die DAQ Assistant neem die ingangsein, wat 'n analoog spanningssein is, óf gesimuleer deur 'n funksiegenerator, óf direk ontvang van 'n persoon wat aangeskakel is by die gepaste elektrodes. Dit neem dan hierdie sein en voer dit deur 'n A/D -omskakelaar met deurlopende monsterneming en parameters van 2000 monsters wat gelees moet word, 'n bemonsteringssnelheid van 1 kHz en met maksimum- en min -spanningswaardes onderskeidelik 10V en -10V. Hierdie verworwe sein word dan op 'n grafiek weergegee sodat dit visueel gesien kan word. Dit neem ook hierdie omgeskakelde golfvorm en voeg 5 by, om te verseker dat dit 'n negatiewe offset is, en dan met 200 vermenigvuldig word om die pieke duideliker, groter en makliker te ontleed. Dit bepaal dan die maksimum en min waarde van die golfvorm binne die gegewe venster van 2,5 sekondes deur die maks/min operand. Die maksimum berekende waarde moet vermenigvuldig word met 'n persentasie wat verander kan word, maar gewoonlik 90% (0,9). Hierdie waarde word dan by die min -waarde gevoeg en as die drumpel na die piekopspooroperand gestuur. As gevolg hiervan word elke punt van die golfvormgrafiek wat hierdie drempel oorskry, gedefinieer as 'n piek en gestoor as 'n reeks pieke in die piekdetektoroperateur. Hierdie reeks pieke word dan na twee verskillende funksies gestuur. Een van hierdie funksies ontvang beide die piekreeks en die golfvormuitset deur die maksimumwaarde -operateur. Binne hierdie funksie, dt, word hierdie twee insette omgeskakel na 'n tydwaarde vir elk van die pieke. Die tweede funksie bestaan uit twee indeksoperateurs wat die ligginguitsette van die piekopsporingsfunksie neem en dit afsonderlik indekseer om die liggings van die 0de piek en die 1ste piek te verkry. Die verskil tussen hierdie twee liggings word deur die minus -operateur bereken en dan vermenigvuldig met die tydwaardes verkry uit die dt -funksie. Dit gee die periode of die tyd tussen twee pieke in sekondes af. Per definisie gee 60 gedeel deur die tydperk BPM. Hierdie waarde word dan deur 'n absolute operand uitgevoer om seker te maak dat die uitset altyd positief is en dan afgerond word tot die naaste heelgetal. Dit is die laaste stap om die hartklop te bereken en uiteindelik op dieselfde skerm as die golfvormuitset te plaas. Uiteindelik moet die blokdiagram lyk soos die eerste prent.

Nadat u die blokdiagram voltooi het, moet u die uitvoer op die foto kry as u die program uitvoer.

Stap 9: Kombineer die stroombaan en die LabView -komponente en sluit aan by 'n regte persoon

Nou vir die lekker deel! Deur u pragtige kring en die LabView -program te kombineer om 'n regte EKG te kry en die hartklop daarvan te bereken. Om die stroombaan aan te pas om aan 'n mens te voldoen en 'n lewensvatbare sein te lewer, moet die versterking van die instrumentversterker tot 'n wins van 100 verminder word. versadig dan die operasionele versterker. Deur die wins te verlaag, verminder dit hierdie probleem. Eerstens word die versterking van die eerste fase van die instrumentasieversterker verander na 'n versterking van 4 sodat die algehele versterking 100 is. Dan, met behulp van vergelyking 1, word R2 op 19,5 kΩ gestel, en R1 word soos volg gevind:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 kΩ Dan word die instrumentasieversterker gewysig deur die weerstand van R1to 13 kΩ te verander, soos getoon in stap 2 op die voorheen geboude broodbord. Die hele stroombaan is verbind en die kring kan met LabView getoets word. Die Agilent E3631A DC -kragtoevoer voed die operasionele versterkers met 'n uitset van +15 V en -15 V na penne 4 en 7. Die EKG -elektrodes is met die onderwerp verbind met die positiewe leiding (G1) na die linker enkel, die negatiewe lei (G2) na die regter pols, en die grond (COM) na die regter enkel. Die menslike insette behoort te wees aan pen 3 van die operasionele versterkers in die eerste fase van die stroombaan met die positiewe lood gekoppel aan pen 3 van die eerste operasionele versterker en die negatiewe leiding wat aan pen 3 van die tweede operasionele versterker gekoppel is. Die grond verbind met die grond van die broodbord. Die uitset van die versterker, afkomstig van pen 6 van die laagdeurlaatfilter, word aan die DAQ-bord geheg. Wees baie stil en stil, en u moet 'n uitset in LabView kry wat soortgelyk is aan die op die foto.

Hierdie sein is natuurlik veel raseriger as die perfekte sein wat deur die funksiegenerator gesimuleer word. As gevolg hiervan sal u hartklop baie spring, maar dit moet wissel met 'n reikwydte van 60-90 BPM. En daar het jy dit! 'N Prettige manier om ons eie hartklop te meet deur 'n stroombaan te bou en sagteware te kodeer!