EKG un sirdsdarbības ātruma virtuālā lietotāja saskarne: 9 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:57

Šajā pamācībā mēs parādīsim, kā izveidot ķēdi, lai saņemtu sirdsdarbību un parādītu to virtuālajā lietotāja saskarnē (VUI) ar grafisku jūsu sirdsdarbības un sirdsdarbības ātrumu. Lai analizētu un izvadītu datus, ir nepieciešama salīdzinoši vienkārša shēmas sastāvdaļu un programmatūras LabView kombinācija. Šī nav medicīnas ierīce. Tas ir paredzēts tikai izglītojošiem mērķiem, izmantojot simulētus signālus. Ja izmantojat šo shēmu reāliem EKG mērījumiem, lūdzu, pārliecinieties, ka ķēde un ķēdes un instrumenta savienojumi izmanto pareizas izolācijas metodes.

Materiāli

Ķēde:

• Maizes dēlis:
• Rezistori:
• Kondensatori:
• Darbības pastiprinātāji:
• Ķēdes vadi (iekļauti maizes dēļa saitē)
• Aligatoru klipi
• Banānu akordi
• Agilent E3631A līdzstrāvas barošanas avots
• Funkciju ģenerators
• Osciloskops

LabView:

• LabView programmatūra
• DAQ dēlis
• Ķēdes vadi
• Izolēta analogā ieeja
• Funkciju ģenerators

1. darbība: nosakiet izmantojamos filtrus un pastiprinātājus

Lai attēlotu EKG signālu, tika izstrādāti un ieviesti trīs dažādi ķēdes posmi: instrumentu pastiprinātājs, iecirtuma filtrs un zemas caurlaidības filtrs. Mērinstrumentu pastiprinātājs pastiprina signālu, jo, saņemot no objekta, tas bieži vien ir ļoti mazs un grūti pamanāms un analizējams. Izgriezuma filtrs tiek izmantots trokšņa noņemšanai 60 Hz frekvencē, jo EKG signāls nesatur signālus 60 Hz frekvencē. Visbeidzot, zemas caurlaidības filtrs noņem augstākas frekvences, lai novērstu signāla troksni, un kombinācijā ar iecirtuma filtru pieļauj tikai frekvences, kas ir attēlotas EKG signālā.

2. darbība: izveidojiet instrumentālo pastiprinātāju un pārbaudiet to

Pastiprinātājam ir jābūt 1000 V/V pastiprinājumam, un, kā redzams, pastiprinātājs sastāv no diviem posmiem. Tāpēc ieguvums vienmērīgi jāsadala starp abiem posmiem, un K1 ir pirmā posma ieguvums, bet K2 - otrā posma ieguvums. Mēs noteicām, ka K1 ir 40 un K2 ir 25. Šīs ir pieņemamas vērtības, jo, reizinot kopā, tiek iegūts 1000 V/V pieaugums, 40 x 25 = 1000, un tie ir salīdzināmā daudzumā, ar dispersija 15 V/V. Izmantojot šīs vērtības pieaugumam, pēc tam var aprēķināt pareizās pretestības. Šiem aprēķiniem tiek izmantoti šādi vienādojumi:

1. posma pieaugums: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

2. posma pieaugums: K2 = -R4R3 (2)

Mēs patvaļīgi izvēlējāmies vērtību R1, šajā gadījumā tā bija 1 kΩ, un pēc tam atrisinājām R2 vērtību. Pievienojot šīs iepriekšējās vērtības 1. posma pastiprinājuma vienādojumam, mēs iegūstam:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Ir svarīgi nodrošināt, lai, izvēloties pretestības, tās būtu kOhm diapazonā, jo pastāv noteikums, ka jo lielāks ir rezistors, jo lielāka jauda var droši izkliedēt, neciešot bojājumus. Ja pretestība ir pārāk maza un strāva ir pārāk liela, rezistors tiks sabojāts, turklāt pati ķēde nevarēs darboties. Ievērojot to pašu protokolu 2. posmam, mēs patvaļīgi izvēlējāmies vērtību R3, 1 kΩ un pēc tam atrisinājām R4. Pievienojot iepriekšējās vērtības 2. pakāpes pastiprinājuma vienādojumam, mēs iegūstam: 25 = -R4*1000 ⇒R4 = 25000 Ω

Negatīvā zīme tiek noliegta, jo pretestība nevar būt negatīva. Kad esat ieguvis šīs vērtības, izveidojiet tālāk redzamo shēmu. Tad pārbaudiet to!

Agilent E3631A līdzstrāvas barošanas avots darbina operatīvos pastiprinātājus ar +15 V un -15 V izeju līdz 4. un 7. tapai. Iestatiet funkciju ģeneratoru, lai izvadītu sirds viļņu formu ar frekvenci 1 kHz, Vpp 12,7 mV, un nobīde 0 V. Šai ieejai vajadzētu būt darbības pastiprinātāju 3. tapai ķēdes pirmajā posmā. Pastiprinātāja izeja, kas nāk no otrās pakāpes operatīvā pastiprinātāja 6. tapas, tiek parādīta osciloskopa 1. kanālā, un tiek mērīts un reģistrēts spriegums no maksimuma līdz maksimumam. Lai nodrošinātu instrumentu pastiprinātāja pastiprinājumu vismaz 1000 V/V, spriegumam no maksimuma līdz maksimumam jābūt vismaz 12,7 V.

3. darbība: izveidojiet iecirtuma filtru un pārbaudiet to

Izgriezuma filtrs ir nepieciešams, lai no biosignāla noņemtu 60 Hz troksni. Papildus šai prasībai, jo šim filtram nav jāiekļauj papildu pastiprināšana, kvalitātes koeficients ir iestatīts uz 1. Tāpat kā ar instrumentu pastiprinātāju, mēs vispirms noteicām R1, R2, R3 un C vērtības, izmantojot šādu konstrukciju iecirtuma filtra vienādojumi: R1 = 1/(2Q⍵0C)

R2 = 2Q/(⍵0C)

R3 = R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β = ⍵c2 -⍵c1

Kur Q = kvalitātes faktors

⍵0 = 2πf0 = centra frekvence rad/sek

f0 = centra frekvence Hz

β = joslas platums rad/sek

⍵c1, ⍵c2 = robežfrekvences (rad/sek)

Mēs patvaļīgi izvēlējāmies vērtību C, šajā gadījumā tā bija 0, 15 µF, un pēc tam atrisinājām R1 vērtību. Pievienojot iepriekšējās kvalitātes faktora, centra frekvences un kapacitātes vērtības, mēs iegūstam:

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

Kā minēts iepriekš, apspriežot instrumentu pastiprinātāja dizainu, joprojām ir svarīgi pārliecināties, ka, risinot pretestības, kas ir kOhm diapazonā, lai ķēde netiktu bojāta. Ja, risinot pretestības, viena ir pārāk maza, ir jāmaina vērtība, piemēram, kapacitāte, lai nodrošinātu, ka tā nenotiek. Līdzīgi R1, R2 un R3 vienādojuma risināšanai var atrisināt:

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

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

Turklāt atrisiniet joslas platumu, lai to vēlāk teorētiski salīdzinātu ar eksperimentālo vērtību:

1 = (2π60)/β⇒β = 47,12 rad/sek

Kad jūs zināt pretestības vērtības, izveidojiet ķēdi uz maizes dēļa.

Šajā brīdī ir jāpārbauda tikai šī ķēdes stadija, tāpēc to nevajadzētu savienot ar instrumentu pastiprinātāju. Agilent E3631A līdzstrāvas barošanas avotu izmanto, lai darbinātu operatīvo pastiprinātāju ar jaudu +15 V un -15 V, kas iet uz 4. un 7. kontaktu. Funkciju ģenerators ir iestatīts, lai izvadītu sinusoidālu viļņu formu ar sākotnējo frekvenci 10 Hz, a Vpp 1 V un nobīde 0 V. Pozitīvajai ieejai jābūt savienotai ar R1, bet negatīvajai - zemei. Ieejai jābūt savienotai arī ar osciloskopa 1. kanālu. Izciļņa filtra izeja, kas nāk no operatīvā pastiprinātāja 6. tapas, tiek parādīta osciloskopa 2. kanālā. Maiņstrāvas slaucīšanu mēra un reģistrē, mainot frekvenci no 10 Hz līdz 100 Hz. Frekvenci var palielināt par 10 Hz, līdz tiek sasniegta 50. Tad tiek izmantoti 2 Hz soļi līdz 59 Hz. Kad ir sasniegts 59 Hz, ir jāveic 0,1 Hz solis. Pēc tam, kad ir sasniegts 60 Hz, soli var atkal palielināt. Jāreģistrē Vout/Vin attiecība un fāzes leņķis. Ja Vout/Vin attiecība nav mazāka vai vienāda ar -20 dB pie 60 Hz, pretestības vērtības ir jāmaina, lai nodrošinātu šo attiecību. Pēc tam no šiem datiem tiek veidota frekvences reakcijas diagramma un fāzes reakcijas diagramma. Frekvences reakcijai vajadzētu izskatīties tāpat kā grafikā, kas pierāda, ka frekvences ap 60 Hz tiek noņemtas, ko jūs vēlaties!

4. darbība: izveidojiet zemas caurlaidības filtru un pārbaudiet to

Zemfrekvences filtra izslēgšanas frekvenci nosaka kā 150 Hz. Šī vērtība tika izvēlēta, jo vēlaties saglabāt visas EKG esošās frekvences, vienlaikus novēršot lieko troksni, kas īpaši atrodams augstākās frekvencēs. T viļņa frekvence ir diapazonā no 0-10 Hz, P vilnis diapazonā no 5-30 Hz un QRS komplekss diapazonā no 8-50 Hz. Tomēr patoloģisku sirds kambaru vadīšanu raksturo augstākas frekvences, parasti virs 70 Hz. Tāpēc kā izslēgšanas frekvence tika izvēlēta 150 Hz, lai nodrošinātu, ka mēs varam uztvert visas frekvences, pat augstākās, vienlaikus samazinot augstfrekvences troksni. Papildus 150 Hz izslēgšanas frekvencei kvalitātes koeficients K ir iestatīts uz 1, jo nav nepieciešama papildu pastiprināšana. Vispirms mēs noteicām R1, R2, R3, R4, C1 un C2 vērtības, izmantojot šādus zemas caurlaidības filtra konstrukcijas vienādojumus:

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

R2 = 1/[bC1C2R1⍵c^2]

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

R4 = K (R1+R2)

C2 aptuveni 10/fc uF

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

Kur K = guvums

⍵c = izslēgšanas frekvence (rad/sek)

fc = izslēgšanas frekvence (Hz)

a = filtra koeficients = 1,414214

b = filtra koeficients = 1

Tā kā pastiprinājums ir 1, R3 tiek aizstāts ar atvērtu ķēdi un R4 tiek aizstāts ar īssavienojumu, kas padara to par sprieguma sekotāju. Tāpēc šīs vērtības nav jārisina. Mēs vispirms atrisinājām C2 vērtību. Pievienojot iepriekšējās vērtības šajā vienādojumā, mēs iegūstam:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Tad C1 var atrisināt, izmantojot vērtību C2.

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

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

Kad kapacitātes vērtības ir atrisinātas, R1 un R2 var aprēķināt šādi:

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

Ar pareizām pretestībām izveidojiet shēmu, kas redzama shēmas diagrammā.

Šis ir pēdējais vispārējās konstrukcijas posms, un tas jāveido uz maizes dēļa tieši pa kreisi no iecirtuma filtra ar iecirtuma filtra izeju un zemas caurlaidības filtra ieejas spriegumu. Šī shēma ir jāveido, izmantojot to pašu maizes dēli kā iepriekš, ar pareizi aprēķinātām pretestībām un kapacitātēm un vienu darbības pastiprinātāju. Kad ķēde ir izveidota, izmantojot 3. attēlā redzamo shēmu, tā tiek pārbaudīta. Šajā brīdī ir jāpārbauda tikai šis posms, tāpēc to nevajadzētu savienot ne ar instrumentu pastiprinātāju, ne ar iecirtuma filtru. Tāpēc Agilent E3631A līdzstrāvas barošanas avotu izmanto, lai darbinātu pastiprinātāju ar jaudu +15 un -15 V, kas iet uz 4. un 7. kontaktu. Funkciju ģenerators ir iestatīts, lai izvadītu sinusoidālu viļņu formu ar sākotnējo frekvenci 10 Hz, a Vpp 1 V un nobīde 0 V. Pozitīvajai ieejai jābūt savienotai ar R1, bet negatīvajai - zemei. Ieejai jābūt savienotai arī ar osciloskopa 1. kanālu. Izciļņa filtra izeja, kas nāk no operatīvā pastiprinātāja 6. tapas, tiek parādīta osciloskopa 2. kanālā. Maiņstrāvas slaucīšanu mēra un reģistrē, mainot frekvenci no 10 Hz līdz 300 Hz. Frekvenci var palielināt par 10 Hz, līdz tiek sasniegta 150 Hz robežfrekvence. Tad frekvence jāpalielina par 5 Hz, līdz tā sasniedz 250 Hz. Lai pabeigtu slaucīšanu, var izmantot augstākus 10 Hz soļus. Tiek reģistrēta Vout/Vin attiecība un fāzes leņķis. Ja izslēgšanas frekvence nav 150 Hz, tad pretestības vērtības ir jāmaina, lai pārliecinātos, ka šī vērtība patiesībā ir robežfrekvence. Frekvences reakcijas diagrammai vajadzētu izskatīties kā attēlā, kur var redzēt, ka robežfrekvence ir aptuveni 150 Hz.

5. solis: apvienojiet visus 3 komponentus un simulējiet elektrokardiogrammu (EKG)

Savienojiet visus trīs posmus, pievienojot vadu starp iepriekšējās sastāvdaļas pēdējo ķēdes komponentu līdz nākamā komponenta sākumam. Visa shēma ir redzama diagrammā.

Izmantojot funkciju ģeneratoru, simulējiet citu EKG signālu, ja komponenti tika veiksmīgi uzbūvēti un savienoti, osciloskopa izejai vajadzētu izskatīties tā, kā attēlā.

6. darbība: iestatiet DAQ paneli

Virs DAQ dēļa var redzēt. Pievienojiet to datora aizmugurē, lai to ieslēgtu, un ievietojiet izolēto analogo ieeju tāfeles 8. kanālā (ACH 0/8). Ievietojiet divus vadus izolētās analogās ieejas caurumos, kas apzīmēti ar “1” un “2”. Iestatiet funkciju ģeneratoru, lai izvadītu 1 Hz EKG signālu ar Vpp 500 mV un nobīdi 0 V. Pievienojiet funkciju ģeneratora izeju vadiem, kas ievietoti izolētajā analogā ieejā.

7. darbība: atveriet LabView, izveidojiet jaunu projektu un iestatiet DAQ palīgu

Atveriet LabView programmatūru un izveidojiet jaunu projektu un faila nolaižamajā izvēlnē atveriet jaunu VI. Ar peles labo pogu noklikšķiniet uz lapas, lai atvērtu komponenta logu. Atrodiet “DAQ palīga ievade” un velciet to uz ekrānu. Tas automātiski atvērs pirmo logu.

Atlasiet Signālu iegūšana> Analogā ievade> Spriegums. Tādējādi tiks atvērts otrais logs.

Izvēlieties ai8, jo ievietojat izolēto analogo ieeju 8. kanālā. Atlasiet Pabeigt, lai atvērtu pēdējo logu.

Mainiet iegūšanas režīmu uz nepārtrauktiem paraugiem, izlasāmos paraugus uz 2k un frekvenci uz 1kHz. Pēc tam loga augšdaļā atlasiet Palaist, un vajadzētu parādīties iepriekš redzamajai izvadei. Ja EKG signāls ir apgriezts, vienkārši pārslēdziet savienojumus no funkciju ģeneratora uz DAQ paneli. Tas parāda, ka jūs veiksmīgi iegūstat EKG signālu! (Jā!) Tagad jums tas jākodē, lai to analizētu!

8. darbība: kodējiet LabView, lai analizētu EKG signāla komponentus un aprēķinātu sirdsdarbību

Izmantojiet LabView attēlā redzamos simbolus

Jūs jau esat ievietojis DAQ palīgu. DAQ palīgs uztver ievades signālu, kas ir analogs sprieguma signāls, vai nu simulēts ar funkciju ģeneratoru, vai saņemts tieši no personas, kas piestiprināta pie atbilstoši novietotiem elektrodiem. Pēc tam tas uztver šo signālu un vada to caur A/D pārveidotāju ar nepārtrauktu paraugu ņemšanu un 2000 nolasāmu paraugu parametriem, 1 kHz paraugu ņemšanas ātrumu un ar maksimālo un minimālo sprieguma vērtību attiecīgi 10V un -10V. Šis iegūtais signāls tiek izvadīts grafikā, lai to varētu vizuāli redzēt. Tā arī ņem šo pārveidoto viļņu formu un pievieno 5, lai nodrošinātu, ka tā veido negatīvu nobīdi, un pēc tam to reizina ar 200, lai padarītu smailes atšķirīgākas, lielākas un vieglāk analizējamas. Pēc tam tas nosaka viļņu formas maksimālo un minimālo vērtību noteiktā 2,5 sekunžu logā, izmantojot operandu max/min. Maksimālā aprēķinātā vērtība jāreizina ar procentu, ko var mainīt, bet parasti tas ir 90% (0,9). Pēc tam šī vērtība tiek pievienota minimālajai vērtībai un nosūtīta pīķa noteikšanas operandā kā slieksnis. Rezultātā katrs viļņu formas grafika punkts, kas pārsniedz šo slieksni, tiek definēts kā maksimums un tiek saglabāts kā pīķu masīvs pīķa detektora operatoram. Šis pīķu masīvs pēc tam tiek nosūtīts divām dažādām funkcijām. Viena no šīm funkcijām saņem gan maksimālo masīvu, gan viļņu formas izvadi no maksimālās vērtības operatora. Šīs funkcijas dt ietvaros šīs divas ieejas tiek pārveidotas par laika vērtību katrai virsotnei. Otrā funkcija sastāv no diviem indeksu operatoriem, kuri ņem pīķa noteikšanas funkcijas atrašanās vietas izvadus un indeksē tos atsevišķi, lai iegūtu 0. pīķa un 1. pīķa atrašanās vietas. Starpību starp šīm divām vietām aprēķina mīnus operators un pēc tam reizina ar laika vērtībām, kas iegūtas no funkcijas dt. Tādējādi tiek parādīts periods vai laiks starp divām virsotnēm sekundēs. Pēc definīcijas 60 dalīts ar periodu dod BPM. Pēc tam šī vērtība tiek izvadīta caur absolūtu operandu, lai pārliecinātos, ka izvade vienmēr ir pozitīva un pēc tam tiek noapaļota līdz tuvākajam veselajam skaitlim. Šis ir pēdējais solis, lai aprēķinātu un beidzot ievadītu sirdsdarbības ātrumu tajā pašā ekrānā kā viļņu formas izeja. Galu galā blokdiagrammai vajadzētu izskatīties kā pirmajam attēlam.

Pēc blokshēmas pabeigšanas, palaižot programmu, jums vajadzētu iegūt attēlā redzamo izvadi.

9. darbība: apvienojiet ķēdi un LabView komponentus un izveidojiet savienojumu ar reālu personu

Tagad par jautro daļu! Apvienojot savu skaisto ķēdi un LabView programmu, lai iegūtu reālu EKG un aprēķinātu tā sirdsdarbības ātrumu. Lai pārveidotu ķēdi, lai tā atbilstu cilvēkam, un radītu dzīvotspējīgu signālu, instrumentu pastiprinātāja pastiprinājums jāsamazina līdz 100. Tas ir saistīts ar faktu, ka, pieslēdzoties personai, pastāv nobīde, kas pēc tam piesātina operatīvo pastiprinātāju. Samazinot peļņu, tas samazinās šo problēmu. Pirmkārt, instrumentu pastiprinātāja pirmā posma pastiprinājums tiek mainīts uz pastiprinājumu 4, lai kopējais pieaugums būtu 100. Tad, izmantojot 1. vienādojumu, R2 ir iestatīts uz 19,5 kΩ, un R1 ir šāds:

4 = 1 + 2 (19, 500). Visa ķēde ir savienota, un ķēdi var pārbaudīt, izmantojot LabView. Agilent E3631A līdzstrāvas barošanas avots darbina operatīvos pastiprinātājus ar +15 V un -15 V izeju līdz 4. un 7. tapai. EKG elektrodi ir savienoti ar objektu ar pozitīvo vadu (G1), kas iet uz kreiso potīti, negatīvais svins (G2) iet uz labo plaukstas locītavu, bet zeme (COM) - uz labo potīti. Cilvēka ieejai jābūt darbības pastiprinātāju 3. tapai ķēdes pirmajā posmā ar pozitīvo vadu, kas pievienots pirmā darbības pastiprinātāja 3. tapai, un negatīvajam vadam, kas pievienots otrā darbības pastiprinātāja 3. tapai. Zeme savienojas ar maizes dēļa zemi. Pastiprinātāja izeja, kas nāk no zemas caurlaidības filtra 6. tapas, ir piestiprināta pie DAQ plates. Pārliecinieties, ka esat ļoti kluss un kluss, un jums vajadzētu iegūt LabView izvadi, kas izskatās līdzīgs attēlā redzamajam.

Šis signāls acīmredzami ir daudz trokšņaināks nekā perfekts signāls, ko simulējis funkciju ģenerators. Tā rezultātā jūsu sirdsdarbības ātrums strauji palielināsies, bet tam vajadzētu svārstīties ar diapazonu no 60 līdz 90 BPM. Un tur jums tas ir! Jautrs veids, kā izmērīt savu sirdsdarbības ātrumu, izveidojot ķēdi un kodējot kādu programmatūru!