Interfață de utilizator virtuală ECG și ritm cardiac: 9 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:46

Pentru acest lucru instructiv, vă vom arăta cum să construiți un circuit pentru a primi bătăile inimii și pentru a-l afișa pe o interfață de utilizator virtuală (VUI) cu o ieșire grafică a bătăilor inimii și a ritmului cardiac. Acest lucru necesită o combinație relativ simplă de componente de circuit și software-ul LabView pentru a analiza și transmite datele. Acesta nu este un dispozitiv medical. Aceasta este în scopuri educaționale numai folosind semnale simulate. Dacă utilizați acest circuit pentru măsurători reale ECG, vă rugăm să vă asigurați că circuitul și conexiunile circuit-instrument folosesc tehnici de izolare adecvate.

Materiale

Circuit:

• Breadboard:
• Rezistențe:
• Condensatoare:
• Amplificatoare op:
• Sârme de circuit (incluse în link-ul Breadboard)
• Clipuri de aligator
• Acorduri de banane
• Sursa de alimentare Agilent E3631A DC
• Generator de funcții
• Osciloscop

LabView:

• Software LabView
• Consiliul DAQ
• Sârme de circuit
• Intrare analogică izolată
• Generator de funcții

Pasul 1: Determinați ce filtre și amplificatoare să utilizați

Pentru a reprezenta un semnal ECG, au fost proiectate și implementate trei etape diferite ale circuitului: un amplificator de instrumentație, un filtru de notch și un filtru trece-jos. Amplificatorul de instrumentație amplifică semnalul, deoarece atunci când este primit de la un subiect este adesea foarte mic și greu de văzut și analizat. Filtrul de notch este utilizat pentru a elimina zgomotul la 60Hz, deoarece un semnal ECG nu conține semnale la 60Hz. În cele din urmă, filtrul trece jos elimină frecvențe mai mari pentru a elimina zgomotul din semnal și, în combinație cu filtrul de notch, permite doar frecvențele reprezentate într-un semnal ECG.

Pasul 2: Construiți amplificatorul de instrumentație și testați-l

Amplificatorul trebuie să aibă un câștig de 1000 V / V și, după cum se poate vedea, amplificatorul este format din două trepte. Prin urmare, câștigul trebuie distribuit uniform între cele două etape, K1 fiind câștigul primei etape și K2 fiind câștigul celei de-a doua etape. Am determinat K1 să fie 40 și K2 să fie 25. Acestea sunt valori acceptabile datorită faptului că atunci când se înmulțește împreună, se obține un câștig de 1000 V / V, 40 x 25 = 1000 și sunt de o valoare comparabilă, cu o varianța de 15 V / V. Folosind aceste valori pentru câștig, rezistențele adecvate pot fi apoi calculate. Următoarele ecuații sunt utilizate pentru aceste calcule:

Etapa 1 Câștig: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Câștigul etapei 2: K2 = -R4R3 (2)

Am ales în mod arbitrar o valoare de R1, în acest caz a fost de 1 kΩ și apoi s-a rezolvat ulterior pentru valoarea de R2. Conectând acele valori anterioare în ecuația pentru câștigul din etapa 1, obținem:

40 = 1 + 2R2 * 1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Este important să vă asigurați că, atunci când alegeți rezistențele, acestea sunt în domeniul kOhm din cauza regulii generale, cu cât este mai mare rezistorul, cu atât este mai mare puterea se poate disipa în siguranță fără a suferi daune. Dacă rezistența este prea mică și există un curent prea mare, va fi deteriorat rezistorul și, în plus, circuitul în sine nu va putea funcționa. Urmând același protocol pentru etapa 2, am ales în mod arbitrar o valoare de R3, 1 kΩ și apoi am rezolvat pentru R4. Conectând valorile anterioare în ecuația pentru câștigul etapei 2, obținem: 25 = -R4 * 1000 ⇒R4 = 25000 Ω

Semnul negativ este negat deoarece rezistențele nu pot fi negative. Odată ce aveți aceste valori, construiți următorul circuit din imagine. Atunci testează-l!

Sursa de alimentare DC Agilent E3631A alimentează amplificatoarele operaționale cu o ieșire de +15 V și -15 V mergând la pinii 4 și 7. Setați generatorul de funcții să emită o formă de undă cardiacă cu o frecvență de 1 kHz, un Vpp de 12,7 mV, și un offset de 0 V. Această intrare ar trebui să fie la pinul 3 al amplificatoarelor operaționale din prima etapă a circuitului. Ieșirea amplificatorului, care vine de la pinul 6 al amplificatorului operațional al celui de-al doilea stadiu, este afișată pe canalul 1 al osciloscopului și tensiunea vârf-la-vârf este măsurată și înregistrată. Pentru a se asigura că amplificatorul de instrumentație are un câștig de cel puțin 1000 V / V, tensiunea vârf-la-vârf ar trebui să fie de cel puțin 12,7 V.

Pasul 3: Construiți filtru de notch și testați-l

Filtrul cu crestături este necesar pentru a elimina zgomotul de 60 Hz din biosemnal. În plus față de această cerință, deoarece acest filtru nu trebuie să includă nicio amplificare suplimentară, factorul de calitate este setat la 1. La fel ca în cazul amplificatorului de instrumentație, am stabilit mai întâi valorile pentru R1, R2, R3 și C folosind următorul design ecuații pentru un filtru de notch: R1 = 1 / (2Q⍵0C)

R2 = 2Q / (⍵0C)

R3 = R1R / (2R1 + R2)

Q = ⍵0 / β

β = ⍵c2 -⍵c1

Unde Q = factor de calitate

⍵0 = 2πf0 = frecvența centrală în rad / sec

f0 = frecvența centrală în Hz

β = lățime de bandă în rad / sec

⍵c1, ⍵c2 = frecvențe de tăiere (rad / sec)

Am ales în mod arbitrar o valoare de C, în acest caz a fost de 0,15 µF și apoi s-a soluționat ulterior pentru valoarea de R1. Conectând valorile anterioare enumerate ale factorului de calitate, frecvenței centrale și capacității, obținem:

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

Așa cum s-a menționat mai sus atunci când discutați despre proiectarea amplificatorului de instrumentație, este încă important să vă asigurați că atunci când rezolvați rezistențele care se află în domeniul kOhm, astfel încât să nu se facă daune circuitului. Dacă la rezolvarea rezistențelor, una este prea mică, ar trebui modificată o valoare, cum ar fi capacitatea, pentru a se asigura că aceasta nu se produce. În mod similar rezolvării ecuației pentru R1, R2 și R3 se poate rezolva:

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

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

În plus, rezolvați lățimea de bandă pentru a o avea ca valoare teoretică de comparat cu valoarea experimentală ulterior:

1 = (2π60) / β⇒β = 47,12 rad / sec

Odată ce cunoașteți valorile rezistenței, construiți circuitul pe panou.

Doar această etapă a circuitului trebuie testată în acest moment, deci nu ar trebui să fie conectată la amplificatorul de instrumentație. Sursa de alimentare Agilent E3631A DC este utilizată pentru alimentarea amplificatorului operațional cu o ieșire de +15 V și -15 V mergând la pinii 4 și 7. Generatorul de funcții este setat să emită o formă de undă sinusoidală cu o frecvență inițială de 10 Hz, o Vpp de 1 V și un offset de 0 V. Intrarea pozitivă ar trebui conectată la R1, iar intrarea negativă ar trebui conectată la masă. Intrarea trebuie conectată și la canalul 1 al osciloscopului. Ieșirea filtrului de notch, provenind de la pinul 6 al amplificatorului operațional, este afișată pe canalul 2 al osciloscopului. Un curent alternativ este măsurat și înregistrat prin variația frecvenței de la 10 Hz la 100 Hz. Frecvența poate fi mărită cu pași de 10 Hz până la atingerea unei frecvențe de 50. Apoi se utilizează pași de 2 Hz până la 59 Hz. Odată ce se atinge 59 Hz, ar trebui luate trepte de 0,1 Hz. Apoi, după ce se atinge 60 Hz, incrementele pot fi din nou mărite. Raportul Vout / Vin și unghiul de fază trebuie înregistrate. Dacă raportul Vout / Vin nu este mai mic sau egal cu -20 dB la 60 Hz, valorile rezistenței trebuie modificate pentru a asigura acest raport. Din aceste date se construiește apoi un grafic de răspuns de frecvență și un grafic de răspuns de fază. Răspunsul în frecvență ar trebui să arate ca în grafic, ceea ce dovedește că frecvențele în jurul valorii de 60Hz sunt eliminate, ceea ce doriți!

Pasul 4: Construiți un filtru low-pass și testați-l

Frecvența de întrerupere a filtrului trece-jos este determinată ca 150 Hz. Această valoare a fost aleasă deoarece doriți să păstrați toate frecvențele prezente în ECG în timp ce eliminați zgomotul în exces, în mod specific găsit la frecvențe mai mari. Frecvența undei T se situează în intervalul 0-10 Hz, unda P în intervalul 5-30 Hz și complexul QRS în intervalul 8-50 Hz. Cu toate acestea, conducerea anormală ventriculară se caracterizează prin frecvențe mai mari, de obicei peste 70 Hz. Prin urmare, 150 Hz a fost aleasă ca frecvență de întrerupere pentru a ne asigura că putem capta toate frecvențele, chiar și frecvențele mai mari, în timp ce tăiem zgomotul de înaltă frecvență. În plus față de frecvența de întrerupere de 150 Hz, factorul de calitate, K, este setat la 1 deoarece nu este necesară o amplificare suplimentară. Am determinat mai întâi valorile pentru R1, R2, R3, R4, C1 și C2 folosind următoarele ecuații de proiectare pentru un filtru trece-jos:

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

R2 = 1 / [bC1C2R1⍵c ^ 2]

R3 = K (R1 + R2) / (K -1) când K> 1

R4 = K (R1 + R2)

C2 aproximativ 10 / fc uF

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

Unde K = câștig

⍵c = frecvența de tăiere (rad / sec)

fc = frecvența de întrerupere (Hz)

a = coeficient filtru = 1.414214

b = coeficientul filtrului = 1

Deoarece câștigul este 1, R3 este înlocuit de un circuit deschis și R4 este înlocuit de un scurtcircuit care îl face un adept de tensiune. Prin urmare, aceste valori nu trebuie rezolvate. Am rezolvat mai întâi pentru valoarea lui C2. Conectând valorile anterioare în acea ecuație, obținem:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Apoi, C1 poate fi rezolvat folosind valoarea lui C2.

C1 <(0,047x10 ^ -6) [1.414214 ^ 2 + 4 (1) (1 -1)] / 4 (1)

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

Odată ce valorile capacității au fost rezolvate, R1 și R2 pot fi calculate astfel:

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

Cu rezistențele potrivite construiți circuitul văzut în diagrama circuitului.

Aceasta este ultima etapă a proiectului general și ar trebui să fie construită pe placa directă în partea stângă a filtrului de notch, cu ieșirea filtrului de notch și tensiunea de intrare pentru filtrul low-pass. Acest circuit urmează să fie construit folosind aceeași placă de calcul ca anterior, cu rezistențele și capacitățile calculate corect și un amplificator operațional. Odată ce circuitul este construit folosind schema circuitului din figura 3, acesta este testat. Doar această etapă trebuie testată în acest moment, deci nu trebuie conectată nici la amplificatorul de instrumentație, nici la filtrul de notch. Prin urmare, sursa de alimentare Agilent E3631A DC este utilizată pentru a alimenta amplificatorul operațional cu o ieșire de +15 și -15 V mergând la pinii 4 și 7. Generatorul de funcții este setat să emită o formă de undă sinusoidală cu o frecvență inițială de 10 Hz, un Vpp de 1 V și un offset de 0 V. Intrarea pozitivă ar trebui conectată la R1 iar intrarea negativă ar trebui conectată la masă. Intrarea trebuie conectată și la canalul 1 al osciloscopului. Ieșirea filtrului de notch, provenind de la pinul 6 al amplificatorului operațional, este afișată pe canalul 2 al osciloscopului. Un curent alternativ este măsurat și înregistrat prin variația frecvenței de la 10 Hz la 300 Hz. Frecvența poate fi mărită cu trepte de 10 Hz până la atingerea frecvenței de tăiere de 150 Hz. Apoi, frecvența ar trebui mărită cu 5 Hz până la 250 Hz. Creșteri mai mari de 10 Hz pot fi utilizate pentru a termina măturarea. Se înregistrează raportul Vout / Vin și unghiul de fază. Dacă frecvența de întrerupere nu este de 150 Hz, atunci valorile rezistenței trebuie modificate pentru a se asigura că această valoare este de fapt frecvența de întrerupere. Graficul de răspuns în frecvență ar trebui să arate ca imaginea în care puteți vedea că frecvența de tăiere este de aproximativ 150Hz.

Pasul 5: Combinați toate cele 3 componente și simulați electrocardiograma (ECG)

Conectați toate cele trei etape adăugând un fir între ultima componentă a circuitului componentei anterioare la începutul componentei următoare. Circuitul complet este văzut în diagramă.

Folosind generatorul de funcții, simulați un alt semnal ECG prin Dacă componentele au fost construite și conectate cu succes, ieșirea dvs. pe osciloscop ar trebui să arate ca cea din imagine.

Pasul 6: Configurați placa DAQ

Deasupra se poate vedea placa DAQ. Conectați-l la partea din spate a computerului pentru al porni și plasați intrarea analogică izolată în canalul 8 al plăcii (ACH 0/8). Introduceți două fire în orificiile etichetate „1” și „2” ale intrării analogice izolate. Configurați generatorul de funcții pentru a emite un semnal ECG de 1Hz cu un Vpp de 500mV și un offset de 0V. Conectați ieșirea generatorului de funcții la firele plasate în intrarea analogică izolată.

Pasul 7: Deschideți LabView, creați un proiect nou și configurați asistentul DAQ

Deschideți software-ul LabView și creați un proiect nou și deschideți un nou VI în meniul derulant fișier. Faceți clic dreapta pe pagină pentru a deschide o fereastră componentă. Căutați „DAQ Assistant Input” și trageți-l pe ecran. Aceasta va deschide automat prima fereastră.

Selectați Achiziționare semnale> Intrare analogică> Tensiune. Aceasta va deschide a doua fereastră.

Selectați ai8 pentru că ați introdus intrarea analogică izolată în canalul 8. Selectați Finalizare pentru a deschide ultima fereastră.

Schimbați modul de achiziție la eșantioane continue, eșantioanele de citit la 2k și rata la 1kHz. Apoi selectați Rulați în partea de sus a ferestrei și o ieșire ca cea de mai sus ar trebui să apară. Dacă semnalul ECG este inversat, pur și simplu comutați conexiunile de la generatorul de funcții la placa DAQ. Acest lucru arată că achiziționați cu succes un semnal ECG! (Da!) Acum trebuie să îl codificați pentru a-l analiza!

Pasul 8: Cod LabView pentru a analiza componentele semnalului ECG și a calcula bătăile inimii

Utilizați simbolurile din imagine în LabView

Ați plasat deja asistentul DAQ. Asistentul DAQ preia semnalul de intrare, care este un semnal analogic de tensiune, fie simulat de un generator de funcții, fie primit direct de la o persoană conectată la electrozi așezați corespunzător. Apoi preia acest semnal și îl rulează printr-un convertor A / D cu eșantionare continuă și parametri de 2000 de eșantioane care trebuie citite, o rată de eșantionare de 1 kHz și cu valori maxime și minime ale tensiunii fiind de 10V și respectiv -10V. Acest semnal dobândit este apoi emis pe un grafic, astfel încât să poată fi văzut vizual. De asemenea, ia această formă de undă convertită și adaugă 5, pentru a se asigura că reprezintă un decalaj negativ și apoi este înmulțită cu 200 pentru a face vârfurile mai distincte, mai mari și mai ușor de analizat. Apoi determină valoarea max și min a formei de undă în fereastra dată de 2,5 secunde prin operandul max / min. Valoarea maximă calculată trebuie să fie înmulțită cu un procent care poate fi modificat, dar este de obicei de 90% (0,9). Această valoare este apoi adăugată la valoarea min și trimisă în operandul de detectare a vârfurilor ca prag. Ca rezultat, fiecare punct al graficului de formă de undă care depășește acest prag este definit ca un vârf și salvat ca o serie de vârfuri în operatorul detectorului de vârf. Această serie de vârfuri este apoi trimisă la două funcții diferite. Una dintre aceste funcții primește atât matricea de vârf, cât și ieșirea formei de undă de către operatorul de valoare maximă. În cadrul acestei funcții, dt, aceste două intrări sunt convertite într-o valoare de timp pentru fiecare dintre vârfuri. A doua funcție constă din doi operatori de index care iau ieșirile de locație ale funcției de detectare a vârfurilor și le indexează separat pentru a obține locațiile vârfului 0 și primului vârf. Diferența dintre aceste două locații este calculată de operatorul minus și apoi înmulțită cu valorile de timp obținute din funcția dt. Aceasta afișează perioada sau timpul dintre două vârfuri în secunde. Prin definiție, 60 împărțit la perioada dă BPM. Această valoare este apoi rulată printr-un operand absolut pentru a vă asigura că ieșirea este întotdeauna pozitivă și apoi este rotunjită la cel mai apropiat număr întreg. Acesta este ultimul pas în calcularea și în cele din urmă transmiterea ritmului cardiac pe același ecran cu ieșirea formei de undă. Ca sfârșit, așa ar trebui să arate diagrama bloc ca prima imagine.

După finalizarea schemei bloc, dacă rulați programul, ar trebui să obțineți rezultatul din imagine.

Pasul 9: Combinați circuitul și componentele LabView și conectați-vă la o persoană reală

Acum, pentru partea distractivă! Combinând circuitul dvs. frumos și programul LabView pentru a obține un ECG real și pentru a calcula ritmul cardiac al acestuia. Pentru a modifica circuitul pentru a se conforma unui om și a produce un semnal viabil, câștigul amplificatorului de instrumentație trebuie redus la un câștig de 100. Acest lucru se datorează faptului că atunci când este conectat la o persoană, există un offset care apoi saturează amplificatorul operațional. Prin scăderea câștigului, acest lucru va reduce această problemă. În primul rând, câștigul primei etape a amplificatorului de instrumentație este modificat la un câștig de 4, astfel încât câștigul general este de 100. Apoi, folosind ecuația 1, R2 este setat la 19,5 kΩ și R1 se găsește după cum urmează:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 kΩ Apoi, amplificatorul de instrumentație este modificat prin schimbarea rezistenței lui R1 până la 13 kΩ așa cum se arată în pasul 2 de pe placa de ansamblu construită anterior. Întregul circuit este conectat și circuitul poate fi testat folosind LabView. Sursa de alimentare Agilent E3631A DC alimentează amplificatoarele operaționale cu o ieșire de +15 V și -15 V mergând la pinii 4 și 7. Electrozii ECG sunt conectați la subiect, conducătorul pozitiv (G1) mergând la glezna stângă, plumb negativ (G2) mergând la încheietura mâinii drepte, iar solul (COM) mergând la glezna dreaptă. Intrarea umană ar trebui să fie la pinul 3 al amplificatoarelor operaționale din prima etapă a circuitului cu cablul pozitiv conectat la pinul 3 al primului amplificator operațional și cablul negativ conectat la pinul 3 al celui de-al doilea amplificator operațional. Pământul se conectează la solul panoului. Ieșirea amplificatorului, care vine de la pinul 6 al filtrului trece-jos, este atașată la placa DAQ. Asigurați-vă că sunteți foarte liniștiți și ar trebui să obțineți o ieșire în LabView care să arate similar cu cea din imagine.

Acest semnal este evident mult mai zgomotos decât semnalul perfect simulat de generatorul de funcții. Drept urmare, ritmul cardiac va sări prea mult, dar ar trebui să fluctueze cu un interval de 60-90 BPM. Și iată-l! O modalitate distractivă de a ne măsura ritmul cardiac prin construirea unui circuit și codificarea unor programe software!