EKG och hjärtfrekvens virtuellt användargränssnitt: 9 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

För detta instruerbara visar vi dig hur du bygger en krets för att ta emot din hjärtslag och visar den på ett virtuellt användargränssnitt (VUI) med en grafisk utgång av ditt hjärtslag och din puls. Detta kräver en relativt enkel kombination av kretskomponenter och mjukvaran LabView för att analysera och mata ut data. Detta är inte en medicinsk utrustning. Detta är endast för utbildningsändamål med hjälp av simulerade signaler. Om du använder denna krets för riktiga EKG-mätningar, se till att kretsen och krets-till-instrumentanslutningarna använder rätt isoleringsteknik.

Material

Krets:

• Brödbräda:
• Motstånd:
• Kondensatorer:
• Op -förstärkare:
• Kretsledningar (ingår i Breadboard -länken)
• Alligator klipp
• Banan ackord
• Agilent E3631A DC -strömförsörjning
• Funktionsgenerator
• Oscilloskop

LabView:

• LabView -programvara
• DAQ styrelse
• Kretsledningar
• Isolerad analog ingång
• Funktionsgenerator

Steg 1: Bestäm vilka filter och förstärkare som ska användas

För att representera en EKG-signal konstruerades och implementerades tre olika steg i kretsen: en instrumentationsförstärkare, ett hackfilter och ett lågpassfilter. Instrumentförstärkaren förstärker signalen som när den tas emot från ett ämne ofta är mycket liten och svår att se och analysera. Notfiltret används för att ta bort brus vid 60Hz eftersom en EKG -signal inte innehåller signaler vid 60Hz. Slutligen tar lågpassfiltret bort högre frekvenser för att avlägsna brus från signalen och tillåter i kombination med hackfilter endast de frekvenser som representeras i en EKG-signal.

Steg 2: Bygg instrumentförstärkare och testa den

Förstärkaren måste ha en förstärkning på 1000 V/V och som det kan ses består förstärkaren av två steg. Därför måste förstärkningen fördelas jämnt mellan de två stadierna, varvid K1 är förstainsteget i det första steget och K2 är vinsten i det andra steget. Vi bestämde K1 till 40 och K2 till 25. Dessa är acceptabla värden på grund av att när de multipliceras tillsammans erhålls en förstärkning på 1000 V/V, 40 x 25 = 1000, och de är av jämförbar mängd, med en varians på 15 V/V. Med hjälp av dessa värden för förstärkningen kan de rätta motstånden sedan beräknas. Följande ekvationer används för dessa beräkningar:

Steg 1 förstärkning: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Steg 2 förstärkning: K2 = -R4R3 (2)

Vi valde godtyckligt ett värde på R1, i det här fallet var det 1 kΩ och löste sedan för värdet R2. Genom att ansluta de tidigare värdena till ekvationen för steg 1 -förstärkningen får vi:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Det är viktigt att se till att när de väljer resistanserna ligger de i kOhm -intervallet på grund av tumregeln att ju större motståndet är, desto mer effekt kan säkert försvinna utan att drabbas av skada. Om motståndet är för litet och det är för stort av ström kommer det att skada motståndet och dessutom kommer själva kretsen inte att fungera. Efter samma protokoll för steg 2 valde vi godtyckligt ett värde på R3, 1 kΩ och löste sedan för R4. Genom att ansluta de tidigare värdena till ekvationen för steg 2 -förstärkningen får vi: 25 = -R4*1000 ⇒R4 = 25000 Ω

Det negativa tecknet negeras eftersom motstånd inte kan vara negativa. När du har dessa värden bygger du följande krets på bilden. Testa sedan!

Agilent E3631A DC -strömförsörjning driver driftförstärkarna med en utgång på +15 V och -15 V som går till stift 4 och 7. Ställ in funktionsgeneratorn för att mata ut en hjärtvågform med en frekvens på 1 kHz, en Vpp på 12,7 mV, och en förskjutning på 0 V. Denna ingång bör vara till stift 3 på operationsförstärkarna i kretsens första steg. Förstärkarens utgång, som kommer från stift 6 i operationsförstärkaren i det andra steget, visas på kanal 1 i oscilloskopet och spänningen topp-till-topp mäts och registreras. För att säkerställa att instrumentförstärkaren har en förstärkning på minst 1000 V/V bör spänningen topp-till-topp vara minst 12,7 V.

Steg 3: Bygg Notch Filter och testa det

Hakfiltret krävs för att ta bort 60 Hz brus från biosignalen. Utöver detta krav, eftersom det här filtret inte behöver inkludera någon ytterligare förstärkning, är kvalitetsfaktorn inställd på 1. Precis som med instrumentförstärkaren bestämde vi först värdena för R1, R2, R3 och C med följande design ekvationer för ett hackfilter: R1 = 1/(2Q⍵0C)

R2 = 2Q/(⍵0C)

R3 = R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β = ⍵c2 -⍵c1

Där Q = kvalitetsfaktor

⍵0 = 2πf0 = mittfrekvens i rad/sek

f0 = mittfrekvens i Hz

β = bandbredd i rad/sek

⍵c1, ⍵c2 = avstängningsfrekvenser (rad/sek)

Vi valde godtyckligt ett värde av C, i detta fall var det 0,15 µF och löstes därefter för värdet R1. Genom att ansluta de tidigare värdena som anges för kvalitetsfaktorn, mittfrekvensen och kapacitansen får vi:

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

Som nämnts ovan när man diskuterar designen av instrumentförstärkaren är det fortfarande viktigt att se till att när man löser motstånden att de ligger i kOhm -intervallet så att ingen skada görs på kretsen. Om man är för liten när man löser motstånden, bör ett värde ändras, t.ex. kapacitansen, för att säkerställa att detta inte sker. På samma sätt kan man lösa ekvationen för R1, R2 och R3:

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

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

Lös dessutom bandbredden för att ha det som ett teoretiskt värde att jämföra med experimentvärdet senare:

1 = (2π60)/β⇒β = 47,12 rad/sek

När du väl vet motståndsvärdena bygga krets på brödbrädan.

Endast detta steg i kretsen ska testas vid denna tidpunkt, så den bör inte anslutas till instrumentförstärkaren. Agilent E3631A DC Power Supply används för att driva driftförstärkaren med en utgång på +15 V och -15 V till stiften 4 och 7. Funktionsgeneratorn är inställd på att mata ut en sinusformad vågform med en initialfrekvens på 10 Hz, en Vpp på 1 V och en förskjutning på 0 V. Den positiva ingången ska vara ansluten till R1 och den negativa ingången ska anslutas till jord. Ingången bör också anslutas till oscilloskopets kanal 1. Utsignalen från hackfiltret, som kommer från stift 6 på operationsförstärkaren, visas på kanal 2 i oscilloskopet. Ett AC -svep mäts och registreras genom att variera frekvensen från 10 Hz till 100 Hz. Frekvensen kan ökas med steg om 10 Hz tills den når en frekvens på 50. Sedan används steg om 2 Hz fram till 59 Hz. När 59 Hz har uppnåtts bör steg om 0,1 Hz tas. Efter att 60 Hz har uppnåtts kan steget ökas igen. Vout/Vin -förhållandet och fasvinkeln ska registreras. Om Vout/Vin -förhållandet inte är mindre än eller lika med -20 dB vid 60 Hz, måste motståndsvärdena ändras för att säkerställa detta förhållande. En frekvensresponsplot och fasresponsplot konstrueras sedan utifrån dessa data. Frekvenssvaret ska se ut så i grafen, vilket bevisar att frekvenser runt 60Hz tas bort, vilket är vad du vill!

Steg 4: Bygg lågpassfilter och testa det

Lågpassfiltrets gränsfrekvens bestäms till 150 Hz. Det här värdet valdes eftersom du vill behålla alla frekvenser som finns i EKG samtidigt som du tar bort överskottsbruset, specifikt på högre frekvenser. T-vågens frekvens ligger i intervallet från 0-10 Hz, P-vågen i intervallet från 5-30 Hz och QRS-komplexet i intervallet 8-50 Hz. Emellertid kännetecknas onormal ventrikulärledning av högre frekvenser, typiskt över 70 Hz. Därför valdes 150 Hz som avstängningsfrekvens för att säkerställa att vi kan fånga alla frekvenser, även de högre frekvenserna, samtidigt som högfrekvent brus stängs av. Förutom 150 Hz -gränsfrekvensen är kvalitetsfaktorn K inställd på 1 eftersom ingen ytterligare förstärkning krävs. Vi bestämde först värdena för R1, R2, R3, R4, C1 och C2 med hjälp av följande designekvationer för ett lågpassfilter:

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

R2 = 1/[bC1C2R1⍵c^2]

R3 = K (R1+ R2)/(K -1) när K> 1

R4 = K (R1+R2)

C2 ca 10/fc uF

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

Där K = förstärkning

⍵c = avstängningsfrekvens (rad/sek)

fc = gränsfrekvens (Hz)

a = filterkoefficient = 1,414214

b = filterkoefficient = 1

Eftersom förstärkningen är 1 ersätts R3 med en öppen krets och R4 ersätts med en kortslutning som gör den till en spänningsföljare. Därför behöver dessa värden inte lösas. Vi löste först för värdet av C2. Genom att ansluta de tidigare värdena till den ekvationen får vi:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Därefter kan C1 lösas med värdet av C2.

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

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

När kapacitansvärdena har lösts kan R1 och R2 beräknas enligt följande:

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 rätt motstånd bygger kretsen som visas i kretsschemat.

Detta är det sista steget i den övergripande konstruktionen och bör byggas på brödbrädan direkt till vänster om hackfiltret med utmatningen från hackfiltret och ingångsspänningen för lågpassfiltret. Denna krets ska konstrueras med samma brödbräda som tidigare, med korrekt beräknade motstånd och kapacitanser, och en operationsförstärkare. När kretsen väl är byggd med kretsschemat i figur 3 testas den. Endast detta steg ska testas vid denna tidpunkt, så det bör inte anslutas till vare sig instrumentationsförstärkaren eller hackfilteret. Därför används Agilent E3631A DC Power Supply för att driva driftförstärkaren med en utgång på +15 och -15 V till stiften 4 och 7. Funktionsgeneratorn är inställd på att mata ut en sinusformad vågform med en initialfrekvens på 10 Hz, en Vpp på 1 V och en förskjutning på 0 V. Den positiva ingången ska vara ansluten till R1 och den negativa ingången ska anslutas till jord. Ingången bör också anslutas till oscilloskopets kanal 1. Utsignalen från hackfiltret, som kommer från stift 6 på operationsförstärkaren, visas på kanal 2 i oscilloskopet. Ett AC -svep mäts och registreras genom att variera frekvensen från 10 Hz till 300 Hz. Frekvensen kan ökas med 10 Hz steg tills den når gränsfrekvensen på 150 Hz. Frekvensen bör sedan ökas med 5 Hz tills den når 250 Hz. Högre steg om 10 Hz kan användas för att avsluta svepningen. Vout/Vin -förhållandet och fasvinkeln registreras. Om gränsfrekvensen inte är 150 Hz, måste motståndsvärdena ändras för att säkerställa att detta värde faktiskt är avstängningsfrekvensen. Frekvensresponsdiagrammet ska se ut som på bilden där du kan se att gränsfrekvensen är cirka 150 Hz.

Steg 5: Kombinera alla tre komponenter och simulera elektrokardiogram (EKG)

Anslut alla tre stegen genom att lägga till en kabel mellan den sista kretskomponenten i den föregående komponenten till början av nästa komponent. Hela kretsen ses i diagrammet.

Med hjälp av funktionsgeneratorn kan du simulera en annan EKG -signal med Om komponenterna byggdes och anslutits framgångsrikt bör din utgång på oscilloskopet se ut så på bilden.

Steg 6: Konfigurera DAQ Board

Ovanför DAQ -brädan syns. Anslut den till datorns baksida för att slå på den och placera den isolerade analoga ingången i kanal 8 på kortet (ACH 0/8). Sätt in två ledningar i hålen märkta '1' och '2' på den isolerade analoga ingången. Ställ in funktionsgeneratorn för att mata ut en EKG -signal på 1Hz med en Vpp på 500mV och en förskjutning på 0V. Anslut utgången från funktionsgeneratorn till de ledningar som är placerade i den isolerade analoga ingången.

Steg 7: Öppna LabView, skapa ett nytt projekt och konfigurera DAQ Assistant

Öppna LabView -programvaran och skapa ett nytt projekt och öppna ett nytt VI under rullgardinsmenyn. Högerklicka på sidan för att öppna ett komponentfönster. Sök efter 'DAQ Assistant Input' och dra den till skärmen. Detta drar automatiskt upp det första fönstret.

Välj Skaffa signaler> Analog ingång> Spänning. Detta kommer att dra upp det andra fönstret.

Välj ai8 eftersom du placerar din isolerade analoga ingång i kanal 8. Välj Slutför för att dra upp det sista fönstret.

Ändra förvärvsläget till kontinuerliga prov, samplen att läsa till 2k och frekvensen till 1kHz. Välj sedan Kör högst upp i fönstret och en utmatning som den som visas ovan ska dyka upp. Om EKG -signalen är inverterad byter du helt enkelt anslutningarna från funktionsgeneratorn till DAQ -kortet. Detta visar att du lyckas få en EKG -signal! (Yay!) Nu måste du koda det för att analysera det!

Steg 8: Kod LabView för att analysera komponenter i EKG -signal och beräkna hjärtslaget

Använd symbolerna på bilden i LabView

Du har redan placerat DAQ Assistant. DAQ Assistant tar insignalen, som är en analog spänningssignal, antingen simulerad av en funktionsgenerator eller mottagen direkt från en person som är ansluten till lämpligt placerade elektroder. Den tar sedan denna signal och kör den genom en A/D -omvandlare med kontinuerlig sampling och parametrar för 2000 samplingar som ska läsas, en samplingshastighet på 1 kHz och med max- och minspänningsvärden 10V respektive -10V. Denna förvärvade signal matas sedan ut på en graf så att den kan ses visuellt. Den tar också denna konverterade vågform och lägger till 5, för att säkerställa att den står för en negativ förskjutning och multipliceras sedan med 200 för att göra topparna mer distinkta, större och lättare att analysera. Den bestämmer sedan max- och min -värdet för vågformen inom det givna fönstret på 2,5 sekunder genom max/min -operanden. Det beräknade maxvärdet måste multipliceras med en procentsats som kan ändras men är vanligtvis 90% (0,9). Detta värde läggs sedan till min -värdet och skickas till toppdetekteringsoperanden som tröskeln. Som ett resultat definieras varje punkt i kurvan som överskrider denna tröskel som en topp och sparas som en uppsättning toppar i toppdetektoroperatören. Denna grupp av toppar skickas sedan till två olika funktioner. En av dessa funktioner tar emot både toppmatrisen och vågformsutmatningen av maxvärdesoperatören. Inom denna funktion, dt, omvandlas dessa två ingångar till ett tidsvärde för var och en av topparna. Den andra funktionen består av två indexoperatorer som tar platsutgångarna för toppdetekteringsfunktionen och indexerar dem separat för att få platserna för den 0: e toppen och den första toppen. Skillnaden mellan dessa två platser beräknas av minusoperatorn och multipliceras sedan med tidsvärdena som erhålls från dt -funktionen. Detta matar ut perioden, eller tiden mellan två toppar i sekunder. Per definition ger 60 dividerat med perioden BPM. Detta värde körs sedan genom en absolut operand för att säkerställa att utmatningen alltid är positiv och avrundas sedan till närmaste heltal. Detta är det sista steget i att beräkna och slutligen mata ut pulsen på samma skärm som vågformsutmatningen. Som slutet är det så här som blockdiagrammet ska se ut den första bilden.

Efter att ha slutfört blockdiagrammet, om du kör programmet bör du få utmatningen på bilden.

Steg 9: Kombinera kretsen och LabView -komponenterna och anslut till en riktig person

Nu till det roliga! Kombinera din vackra krets och LabView -programmet för att skaffa ett riktigt EKG och beräkna dess puls. För att modifiera kretsen för att följa en människa och producera en livskraftig signal måste förstärkningen för instrumentförstärkaren reduceras till en förstärkning på 100. Detta beror på det faktum att när den är ansluten till en person finns det en förskjutning som mättar sedan operationsförstärkaren. Genom att sänka vinsten minskar detta problemet. Först ändras förstärkningen för den första etappen av instrumentförstärkaren till en förstärkning på 4 så att den totala förstärkningen är 100. Sedan, med hjälp av ekvation 1, är R2 inställd på 19,5 kΩ, och R1 finns enligt följande:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 kΩ Därefter ändras instrumentförstärkaren genom att ändra motståndet för R1 till 13 kΩ som visas i steg 2 på den tidigare byggda brödbrädan. Hela kretsen är ansluten och kretsen kan testas med LabView. Agilent E3631A DC Power Supply driver operationsförstärkarna med en utgång på +15 V och -15 V till stiften 4 och 7. EKG -elektroderna är anslutna till motivet med den positiva ledningen (G1) till vänster fotled, negativ ledning (G2) går till höger handled och marken (COM) går till höger fotled. Den mänskliga ingången bör vara till stift 3 på operationsförstärkarna i kretsens första steg med den positiva ledningen ansluten till stift 3 på den första driftförstärkaren och den negativa ledningen ansluten till stift 3 i den andra driftförstärkaren. Marken ansluter till marken på brödbrädan. Förstärkarens utgång, som kommer från stift 6 på lågpassfiltret, är ansluten till DAQ-kortet. Var noga med att vara väldigt stilla och tyst och du bör få en utmatning i LabView som liknar den på bilden.

Denna signal är uppenbarligen mycket mer bullrig än den perfekta signalen som simuleras av funktionsgeneratorn. Som ett resultat kommer din puls att hoppa runt mycket men bör variera med ett intervall på 60-90 BPM. Och där har du det! Ett roligt sätt att mäta vår egen puls genom att bygga en krets och koda lite programvara!