EKG ja syke Virtuaalinen käyttöliittymä: 9 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Tässä ohjeessa näytämme sinulle, kuinka rakentaa piiri sydämenlyönnin vastaanottamiseksi ja näyttää se virtuaaliseen käyttöliittymään (VUI), jossa on graafinen tulos sykkeestäsi ja sykkeestäsi. Tämä vaatii suhteellisen yksinkertaisen yhdistelmän piirikomponentteja ja LabView -ohjelmistoa tietojen analysoimiseksi ja tulostamiseksi. Tämä ei ole lääketieteellinen laite. Tämä on tarkoitettu vain opetustarkoituksiin käyttäen simuloituja signaaleja. Jos käytät tätä piiriä todellisiin EKG-mittauksiin, varmista, että piiri ja piirin ja laitteen väliset liitännät käyttävät oikeita eristystekniikoita.

Materiaalit

Piiri:

• Breadboard:
• Vastukset:
• Kondensaattorit:
• Op -vahvistimet:
• Piirijohdot (sisältyvät Breadboard -linkkiin)
• Alligaattorileikkeet
• Banana sointuja
• Agilent E3631A DC -virtalähde
• Toimintogeneraattori
• Oskilloskooppi

LabView:

• LabView -ohjelmisto
• DAQ -levy
• Piirijohdot
• Eristetty analoginen tulo
• Toimintogeneraattori

Vaihe 1: Määritä käytettävät suodattimet ja vahvistimet

EKG-signaalin esittämiseksi piirin kolme eri vaihetta suunniteltiin ja toteutettiin: instrumentointivahvistin, lovisuodatin ja alipäästösuodatin. Mittarivahvistin vahvistaa signaalin, koska vastaanotettu kohde on usein hyvin pieni ja vaikea nähdä ja analysoida. Lokasuodatinta käytetään poistamaan kohinaa 60 Hz: llä, koska EKG -signaali ei sisällä 60 Hz: n signaaleja. Lopuksi alipäästösuodatin poistaa korkeammat taajuudet melun poistamiseksi signaalista ja yhdessä lovisuodattimen kanssa sallii vain taajuudet, jotka esitetään EKG-signaalissa.

Vaihe 2: Rakenna instrumenttivahvistin ja testaa se

Vahvistimen on vahvistettava 1000 V/V, ja kuten voidaan nähdä, vahvistin koostuu kahdesta vaiheesta. Siksi vahvistus on jaettava tasaisesti kahden vaiheen kesken, jolloin K1 on ensimmäisen vaiheen vahvistus ja K2 toisen vaiheen vahvistus. Päätimme, että K1 on 40 ja K2 on 25. Nämä ovat hyväksyttäviä arvoja, koska kerrottuna yhdessä saadaan 1000 V/V vahvistus, 40 x 25 = 1000, ja ne ovat vertailukelpoisia, ja vaihtelu 15 V/V. Käyttämällä näitä arvoja vahvistukseen, voidaan sitten laskea oikeat vastukset. Näitä laskelmia varten käytetään seuraavia yhtälöitä:

Vaiheen 1 vahvistus: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Vaiheen 2 vahvistus: K2 = -R4R3 (2)

Valitsimme mielivaltaisesti arvon R1, tässä tapauksessa se oli 1 kΩ, ja sitten ratkaistiin sen jälkeen arvo R2. Liittämällä nämä aiemmat arvot vaiheen 1 vahvistuksen yhtälöön, saamme:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500 Ω

On tärkeää varmistaa, että vastuksia valittaessa ne ovat kOhm -alueella, koska nyrkkisääntö on, että mitä suurempi vastus on, sitä enemmän tehoa voi hajota turvallisesti vahingoittumatta. Jos vastus on liian pieni ja virta on liian suuri, vastus vaurioituu ja lisäksi piiri ei voi toimia. Vaiheen 2 saman protokollan mukaisesti valitsimme mielivaltaisesti arvon R3, 1 kΩ ja ratkaisimme sitten R4: n. Liittämällä edelliset arvot vaiheen 2 vahvistuksen yhtälöön saadaan: 25 = -R4*1000 ⇒R4 = 25000 Ω

Negatiivinen merkki on negatiivinen, koska vastukset eivät voi olla negatiivisia. Kun olet saanut nämä arvot, rakenna seuraava kuvassa oleva piiri. Testaa sitten!

Agilent E3631A DC -virtalähde syöttää operaatiovahvistimiin, joiden lähtöteho on +15 V ja -15 V, ja ne menevät nastoihin 4 ja 7. Aseta toimintogeneraattori antamaan sydämen aaltomuodon taajuudella 1 kHz, Vpp 12,7 mV, ja siirtymä 0 V. Tämän tulon tulisi olla piirin ensimmäisen vaiheen operaatiovahvistimien nasta 3. Vahvistimen lähtö, joka tulee toisen vaiheen operaatiovahvistimen nastasta 6, näkyy oskilloskoopin kanavalla 1 ja jännite huippusta huippuun mitataan ja tallennetaan. Jotta varmistetaan, että instrumentointivahvistimen vahvistus on vähintään 1000 V/V, jännitteen huipusta huippuun tulee olla vähintään 12,7 V.

Vaihe 3: Rakenna lovisuodatin ja testaa se

Lovisuodatinta tarvitaan poistamaan 60 Hz: n kohina biosignaalista. Tämän vaatimuksen lisäksi, koska tämän suodattimen ei tarvitse sisältää lisävahvistusta, laatutekijäksi asetetaan 1. Kuten instrumenttivahvistimen kohdalla, määritimme ensin arvot R1, R2, R3 ja C käyttämällä seuraavaa mallia lovisuodattimen yhtälöt: R1 = 1/(2Q⍵0C)

R2 = 2Q/(⍵0C)

R3 = R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β = ⍵c2 -⍵c1

Missä Q = laatutekijä

⍵0 = 2πf0 = keskitaajuus rad/sek

f0 = keskitaajuus Hz

β = kaistanleveys rad/sek

⍵c1, ⍵c2 = rajataajuudet (rad/sek)

Valitsimme mielivaltaisesti arvon C, tässä tapauksessa se oli 0,15 µF, ja ratkaistiin sitten R1 -arvo. Liittämällä aikaisemmat laatutekijän, keskitaajuuden ja kapasitanssin arvot, saamme:

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

Kuten edellä mainittiin, kun keskusteltiin instrumentointivahvistimen suunnittelusta, on edelleen tärkeää varmistaa, että kun ratkaistaan vastuksia, jotka ovat kOhm -alueella, niin että piiri ei vahingoitu. Jos vastusten ratkaisemisessa yksi on liian pieni, arvoa, kuten kapasitanssia, on muutettava, jotta näin ei tapahdu. Samoin kuin R1: n, R2: n ja R3: n yhtälön ratkaiseminen voidaan ratkaista:

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

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

Lisäksi ratkaise kaistanleveys, jotta se olisi teoreettinen arvo, jota voidaan verrata myöhemmin kokeelliseen arvoon:

1 = (2π60)/β⇒β = 47,12 rad/sek

Kun tiedät vastusarvot, rakenna piiri leipälevylle.

Vain tämä piirin vaihe on testattava tässä vaiheessa, joten sitä ei tule kytkeä instrumenttivahvistimeen. Agilent E3631A DC -virtalähdettä käytetään operatiivisen vahvistimen virransyöttöön, jonka ulostulo on +15 V ja -15 V, nastat 4 ja 7. Toimintogeneraattori on asetettu antamaan sinimuotoisen aaltomuodon alkutaajuudella 10 Hz, Vpp 1 V ja siirtymä 0 V. Tulo on myös kytkettävä oskilloskoopin kanavaan 1. Lokisuodattimen lähtö, joka tulee operaatiovahvistimen nastasta 6, näkyy oskilloskoopin kanavalla 2. AC -pyyhkäisy mitataan ja tallennetaan vaihtamalla taajuutta 10 Hz - 100 Hz. Taajuutta voidaan nostaa 10 Hz: n välein, kunnes taajuus on 50. Sitten käytetään 2 Hz: n askelia aina 59 Hz: iin asti. Kun 59 Hz on saavutettu, on otettava 0,1 Hz: n välein. Sitten kun 60 Hz on saavutettu, askelia voidaan jälleen suurentaa. Vout/Vin -suhde ja vaihekulma on tallennettava. Jos Vout/Vin -suhde on vähintään -20 dB 60 Hz: ssä, vastusarvoja on muutettava tämän suhteen varmistamiseksi. Näistä tiedoista muodostetaan sitten taajuusvastekaavio ja vaihevastekaavio. Taajuusvasteen pitäisi näyttää kaaviosta, mikä osoittaa, että noin 60 Hz: n taajuudet poistetaan, mitä haluat!

Vaihe 4: Rakenna alipäästösuodatin ja testaa se

Alipäästösuodattimen rajataajuudeksi määritetään 150 Hz. Tämä arvo valittiin, koska haluat säilyttää kaikki EKG: n taajuudet poistamalla ylimääräisen kohinan, joka esiintyy erityisesti korkeammilla taajuuksilla. T-aallon taajuus on alueella 0-10 Hz, P-aalto alueella 5-30 Hz ja QRS-kompleksi alueella 8-50 Hz. Kuitenkin epänormaalille kammion johtumiselle on ominaista korkeammat taajuudet, tyypillisesti yli 70 Hz. Siksi rajataajuudeksi valittiin 150 Hz sen varmistamiseksi, että voimme kaapata kaikki taajuudet, myös korkeammat taajuudet, katkaisemalla samalla korkeataajuisen kohinan. 150 Hz: n rajataajuuden lisäksi laatutekijä K asetetaan arvoon 1, koska lisävahvistusta ei tarvita. Määritimme ensin arvot R1, R2, R3, R4, C1 ja C2 käyttämällä seuraavia alipäästösuodattimen suunnitteluyhtälöitä:

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

R2 = 1/[bC1C2R1⍵c^2]

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

R4 = K (R1+R2)

C2 noin 10/fc uF

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

Missä K = voitto

⍵c = rajataajuus (rad/sek)

fc = rajataajuus (Hz)

a = suodatinkerroin = 1,414214

b = suodatinkerroin = 1

Koska vahvistus on 1, R3 korvataan avoimella piirillä ja R4 korvataan oikosululla, mikä tekee siitä jännitteen seuraajan. Siksi näitä arvoja ei tarvitse ratkaista. Ratkaisimme ensin arvon C2. Liittämällä aiemmat arvot tähän yhtälöön saadaan:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Sitten C1 voidaan ratkaista käyttämällä arvoa C2.

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

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

Kun kapasitanssiarvot on ratkaistu, R1 ja R2 voidaan laskea seuraavasti:

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

Oikeilla vastuksilla rakenna piirikaaviossa näkyvä piiri.

Tämä on kokonaissuunnittelun viimeinen vaihe, ja se tulisi rakentaa leipälevylle suoraan lovisuodattimen vasemmalle puolelle lovisuodattimen lähdön ja alipäästösuodattimen tulojännitteen avulla. Tämä piiri on rakennettava käyttämällä samaa leipälevyä kuin aiemmin, oikein lasketuilla vastuksilla ja kapasitansseilla ja yhdellä operaatiovahvistimella. Kun piiri on rakennettu käyttäen kuvan 3 piirikaaviota, se testataan. Vain tämä vaihe on testattava tässä vaiheessa, joten sitä ei saa kytkeä instrumenttivahvistimeen tai lovisuodattimeen. Siksi Agilent E3631A DC -virtalähdettä käytetään operatiivisen vahvistimen virransyöttöön, jonka ulostulo on +15 ja -15 V ja joka menee nastoihin 4 ja 7. Toimintogeneraattori on asetettu antamaan sinimuotoisen aaltomuodon alkutaajuudella 10 Hz, a Vpp 1 V ja siirtymä 0 V. Tulo on myös kytkettävä oskilloskoopin kanavaan 1. Lokisuodattimen lähtö, joka tulee operaatiovahvistimen nastasta 6, näkyy oskilloskoopin kanavalla 2. AC -pyyhkäisy mitataan ja tallennetaan vaihtamalla taajuutta 10 Hz - 300 Hz. Taajuutta voidaan nostaa 10 Hz: n välein, kunnes saavutetaan 150 Hz: n rajataajuus. Sitten taajuutta on lisättävä 5 Hz: llä, kunnes se saavuttaa 250 Hz. Pyyhkäisy voidaan lopettaa suuremmilla 10 Hz: n välein. Vout/Vin -suhde ja vaihekulma tallennetaan. Jos rajataajuus ei ole 150 Hz, vastusarvoja on muutettava sen varmistamiseksi, että tämä arvo on itse asiassa rajataajuus. Taajuusvastekaavion pitäisi näyttää kuvalta, josta näet, että rajataajuus on noin 150 Hz.

Vaihe 5: Yhdistä kaikki 3 komponenttia ja simuloi elektrokardiogrammia (EKG)

Yhdistä kaikki kolme vaihetta lisäämällä johdin edellisen komponentin viimeisen piirikomponentin väliin seuraavan komponentin alkuun. Koko piiri näkyy kaaviossa.

Simuloi toimintogeneraattorin avulla toista EKG -signaalia seuraavasti: Jos komponentit on rakennettu ja kytketty onnistuneesti, oskilloskoopin ulostulosi pitäisi näyttää kuvassa näytetyltä.

Vaihe 6: Aseta DAQ -kortti

DAQ -levyn yläpuolella näkyy. Kytke se tietokoneen takaosaan virran kytkemiseksi ja aseta eristetty analogiatulo kortin kanavaan 8 (ACH 0/8). Työnnä kaksi johtoa eristetyn analogiatulon reikiin 1 ja 2. Määritä toimintogeneraattori lähettämään 1 Hz: n EKG -signaali, jonka Vpp on 500 mV ja siirtymä 0 V. Kytke toimintogeneraattorin lähtö eristettyyn analogiatuloon asetettuihin johtoihin.

Vaihe 7: Avaa LabView, luo uusi projekti ja asenna DAQ Assistant

Avaa LabView -ohjelmisto ja luo uusi projekti ja avaa uusi VI avattavasta tiedostovalikosta. Avaa komponentti -ikkuna napsauttamalla sivua hiiren kakkospainikkeella. Etsi”DAQ Assistant Input” ja vedä se näytölle. Tämä avaa automaattisesti ensimmäisen ikkunan.

Valitse Hae signaaleja> Analoginen tulo> Jännite. Tämä nostaa toisen ikkunan ylös.

Valitse ai8, koska asetat eristetyn analogitulon kanavalle 8. Vedä viimeinen ikkuna näkyviin valitsemalla Valmis.

Vaihda hankinta -tilaksi Jatkuva näytteet, näytteet luettavaksi 2k ja taajuus 1kHz. Valitse sitten Suorita ikkunan yläosasta, ja yllä näkyvä tulostus pitäisi näkyä. Jos EKG -signaali on käänteinen, yksinkertaisesti kytke toimintogeneraattorin liitännät DAQ -korttiin. Tämä osoittaa, että saat EKG -signaalin onnistuneesti! (Jee!) Nyt sinun on koodattava se analysoidaksesi sen!

Vaihe 8: Code LabView EKG -signaalin komponenttien analysoimiseksi ja sykkeen laskemiseksi

Käytä kuvassa olevia symboleja LabView'ssa

Olet jo asettanut DAQ -avustajan. DAQ Assistant ottaa tulosignaalin, joka on analoginen jännitesignaali, joko toimintogeneraattorin simuloima tai vastaanotettu suoraan henkilöltä, joka on kytketty asianmukaisesti sijoitettuihin elektrodeihin. Se ottaa tämän signaalin ja kulkee sen A/D -muuntimen läpi, jossa on jatkuva näytteenotto ja 2000 luettavan näytteen parametrit, 1 kHz näytteenottotaajuus ja maksimi- ja minijännitearvot ovat 10V ja -10V. Tämä saatu signaali lähetetään sitten kaavioon, jotta se voidaan nähdä visuaalisesti. Se ottaa myös tämän muunnetun aaltomuodon ja lisää 5 varmistaakseen, että se vastaa negatiivista siirtymää ja kerrotaan sitten 200: lla, jotta piikit erottuvat, suurenevat ja on helpompi analysoida. Se määrittää sitten aaltomuodon maksimi- ja miniarvon annetussa 2,5 sekunnin ikkunassa max/min -operandin kautta. Laskettu enimmäisarvo on kerrottava prosentilla, jota voidaan muuttaa, mutta yleensä 90% (0,9). Tämä arvo lisätään sitten min -arvoon ja lähetetään huippuilmaisinoperandiin kynnyksenä. Tämän seurauksena jokainen aaltomuotokäyrän piste, joka ylittää tämän kynnyksen, määritellään huippuna ja tallennetaan huippuanalyysinä huippuilmaisinoperaattorissa. Tämä piikkiryhmä lähetetään sitten kahdelle eri toiminnolle. Yksi näistä toiminnoista vastaanottaa sekä huippuryhmän että aaltomuodon ulostulon maksimiarvon operaattorilta. Tässä funktiossa dt nämä kaksi tuloa muunnetaan aika -arvoksi kullekin piikille. Toinen funktio koostuu kahdesta indeksioperaattorista, jotka ottavat huipputunnistustoiminnon sijaintilähdöt ja indeksoivat ne erikseen, jotta saadaan 0. ja 1. huipun sijainnit. Näiden kahden sijainnin välinen ero lasketaan miinusoperaattorilla ja kerrotaan sitten dt -funktiosta saaduilla aika -arvoilla. Tämä antaa ajanjakson tai kahden huippun välisen ajan sekunneissa. Määritelmän mukaan 60 jaettuna ajanjaksolla antaa BPM: n. Tämä arvo ajetaan sitten absoluuttisen operandin läpi varmistaakseen, että lähtö on aina positiivinen ja pyöristetään sitten lähimpään kokonaislukuun. Tämä on viimeinen vaihe laskettaessa ja lopulta syöttämällä syke samaan näyttöön kuin aaltomuoto. Lopuksi lohkokaavion pitäisi näyttää ensimmäiseltä kuvalta.

Lohkokaavion suorittamisen jälkeen, jos suoritat ohjelman, sinun pitäisi saada kuvan ulostulo.

Vaihe 9: Yhdistä piiri ja LabView -komponentit ja liitä oikeaan henkilöön

Nyt hauska osa! Yhdistämällä kaunis piirisi ja LabView -ohjelma saat todellisen EKG: n ja laske sen syke. Jotta piiriä muutettaisiin ihmisen mukaiseksi ja tuotettaisiin elinkelpoinen signaali, instrumentointivahvistimen vahvistus on alennettava 100: een. Tämä johtuu siitä, että kun henkilöön kytketään, on siirtymä kyllästää sitten operaatiovahvistimen. Pienentämällä voittoa tämä vähentää tätä ongelmaa. Ensinnäkin instrumentointivahvistimen ensimmäisen vaiheen vahvistus muutetaan vahvistukseksi 4 niin, että kokonaisvahvistus on 100. Sitten yhtälöä 1 käyttämällä R2 on asetettu 19,5 kΩ: ksi ja R1 on seuraava:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 kΩ Sitten instrumentointivahvistinta muutetaan muuttamalla R1: n vastus 13 kΩ: ksi, kuten on esitetty vaiheessa 2 aiemmin rakennetulla leipälevyllä. Koko piiri on kytketty ja piiri voidaan testata LabView -ohjelmalla. Agilent E3631A DC -virtalähde syöttää operaatiovahvistimia, joiden lähtöteho on +15 V ja -15 V, ja ne menevät nastoihin 4 ja 7. EKG -elektrodit on kytketty kohteeseen positiivisella johdolla (G1) vasempaan nilkkaan. negatiivinen lyijy (G2) menee oikeaan ranteeseen ja maa (COM) oikeaan nilkaan. Ihmisen tulon tulisi olla piirin ensimmäisen vaiheen operaatiovahvistimien nasta 3, jossa positiivinen johto on kytketty ensimmäisen operaatiovahvistimen nastaan 3 ja negatiivinen johto kytketty toisen operaatiovahvistimen nastaan 3. Maa yhdistyy leipälautan maahan. Vahvistimen lähtö, joka tulee alipäästösuodattimen nastasta 6, on liitetty DAQ-korttiin. Varmista, että olet hyvin hiljainen ja saat LabView -tulosteen, joka näyttää samanlaiselta kuin kuvassa.

Tämä signaali on selvästi paljon meluisampi kuin toimintogeneraattorin simuloima täydellinen signaali. Tämän seurauksena sykkeesi hyppää paljon, mutta sen pitäisi vaihdella välillä 60-90 BPM. Ja siinä se on! Hauska tapa mitata oma sykkeemme rakentamalla piiri ja koodaamalla ohjelmistoja!