Виртуальный пользовательский интерфейс ЭКГ и ЧСС: 9 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

Для этого руководства мы покажем вам, как построить схему для приема вашего сердечного ритма и отображения его в виртуальном пользовательском интерфейсе (VUI) с графическим выводом вашего сердечного ритма и вашей частоты сердечных сокращений. Для этого требуется относительно простая комбинация компонентов схемы и программного обеспечения LabView для анализа и вывода данных. Это не медицинский прибор. Это предназначено только для образовательных целей с использованием смоделированных сигналов. При использовании этой схемы для реальных измерений ЭКГ убедитесь, что в цепи и соединениях цепи с прибором используются надлежащие методы изоляции.

Материалы

Схема:

• Макетная плата:
• Резисторы:
• Конденсаторы:
• Операционные усилители:
• Цепные провода (включены в ссылку на макетную плату)
• Зажимы из кожи аллигатора
• Банановые аккорды
• Источник питания постоянного тока Agilent E3631A
• Генератор функций
• Осциллограф

LabView:

• Программное обеспечение LabView
• Плата DAQ
• Цепь проводов
• Изолированный аналоговый вход
• Генератор функций

Шаг 1. Определите, какие фильтры и усилители использовать

Для представления сигнала ЭКГ были разработаны и реализованы три различных каскада схемы: инструментальный усилитель, режекторный фильтр и фильтр нижних частот. Инструментальный усилитель усиливает сигнал, так как сигнал, полученный от объекта, часто очень мал, и его трудно увидеть и проанализировать. Режекторный фильтр используется для удаления шума с частотой 60 Гц, поскольку сигнал ЭКГ не содержит сигналов с частотой 60 Гц. Наконец, фильтр нижних частот удаляет более высокие частоты, чтобы удалить шум из сигнала, и в сочетании с режекторным фильтром позволяет использовать только те частоты, которые представлены в сигнале ЭКГ.

Шаг 2: Создайте инструментальный усилитель и протестируйте его

Усилитель должен иметь коэффициент усиления 1000 В / В, и, как можно видеть, усилитель состоит из двух каскадов. Следовательно, коэффициент усиления должен быть равномерно распределен между двумя каскадами, причем K1 - это коэффициент усиления первого каскада, а K2 - коэффициент усиления второго каскада. Мы определили K1 равным 40 и K2 равным 25. Это приемлемые значения, поскольку при умножении получается усиление 1000 В / В, 40 x 25 = 1000, и они сопоставимы с величиной отклонение 15 В / В. Затем, используя эти значения для усиления, можно рассчитать соответствующие сопротивления. Для этих расчетов используются следующие уравнения:

Уровень 1: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Уровень усиления 2: K2 = -R4R3 (2)

Мы произвольно выбрали значение R1, в данном случае 1 кОм, а затем вычислили значение R2. Подставляя эти предыдущие значения в уравнение для усиления на первом этапе, мы получаем:

40 = 1 + 2R2 * 1000⇒R2 = 19, 500 Ом

При выборе сопротивлений важно убедиться, что они находятся в диапазоне кОм из-за практического правила, согласно которому чем больше резистор, тем больше мощности может безопасно рассеиваться без повреждений. Если сопротивление слишком мало, а ток слишком велик, резистор будет поврежден, и, кроме того, сама схема не сможет работать. Следуя тому же протоколу для этапа 2, мы произвольно выбрали значение R3, 1 кОм, а затем решили для R4. Подставляя предыдущие значения в уравнение для усиления второй ступени, мы получаем: 25 = -R4 * 1000 ⇒R4 = 25000 Ом.

Отрицательный знак отменяется, поскольку сопротивления не могут быть отрицательными. Получив эти значения, постройте следующую схему, изображенную на рисунке. Тогда проверьте это!

Источник питания постоянного тока Agilent E3631A питает операционные усилители с выходным напряжением +15 В и -15 В, поступающим на контакты 4 и 7. Настройте функциональный генератор на вывод сердечного сигнала с частотой 1 кГц, Vpp = 12,7 мВ, и смещение 0 В. Этот вход должен быть подключен к выводу 3 операционных усилителей в первом каскаде схемы. Выходной сигнал усилителя, поступающий с вывода 6 операционного усилителя второго каскада, отображается на канале 1 осциллографа, а размах напряжения измеряется и записывается. Чтобы обеспечить усиление инструментального усилителя не менее 1000 В / В, размах напряжения должен быть не менее 12,7 В.

Шаг 3. Создайте Notch-фильтр и протестируйте его

Режекторный фильтр необходим для удаления шума 60 Гц из биосигнала. В дополнение к этому требованию, поскольку этот фильтр не требует дополнительного усиления, коэффициент качества установлен на 1. Как и в случае с инструментальным усилителем, мы сначала определили значения для R1, R2, R3 и C, используя следующую схему. уравнения для режекторного фильтра: R1 = 1 / (2Q⍵0C)

R2 = 2Q / (0C)

R3 = R1R / (2R1 + R2)

Q = ⍵0 / β

β = ⍵c2 -⍵c1

Где Q = коэффициент качества

⍵0 = 2πf0 = центральная частота в рад / с

f0 = центральная частота в Гц

β = полоса пропускания в рад / с

⍵c1, ⍵c2 = частоты среза (рад / сек)

Мы произвольно выбрали значение C, в данном случае 0,15 мкФ, а затем вычислили значение R1. Подставляя указанные выше значения добротности, центральной частоты и емкости, мы получаем:

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

Как упоминалось выше при обсуждении конструкции инструментального усилителя, по-прежнему важно убедиться, что при определении сопротивлений они находятся в диапазоне кОм, чтобы цепи не были повреждены. Если при вычислении сопротивлений одно слишком мало, следует изменить значение, например емкость, чтобы этого не произошло. Аналогично решению уравнения для R1, R2 и R3 можно решить:

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

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

Кроме того, найдите полосу пропускания, чтобы использовать ее в качестве теоретического значения для последующего сравнения с экспериментальным значением:

1 = (2π60) / β⇒β = 47,12 рад / с

Как только вы узнаете значения сопротивления, постройте схему на макетной плате.

На данном этапе необходимо проверить только этот каскад схемы, поэтому его не следует подключать к инструментальному усилителю. Источник питания постоянного тока Agilent E3631A используется для питания операционного усилителя с выходом +15 В и -15 В, поступающим на контакты 4 и 7. Функциональный генератор настроен на вывод синусоидального сигнала с начальной частотой 10 Гц, a Vpp = 1 В и смещение 0 В. Положительный вход должен быть подключен к R1, а отрицательный вход должен быть подключен к земле. Вход также должен быть подключен к каналу 1 осциллографа. Выходной сигнал режекторного фильтра, поступающий с вывода 6 операционного усилителя, отображается на канале 2 осциллографа. Развертка переменного тока измеряется и записывается путем изменения частоты от 10 Гц до 100 Гц. Частоту можно увеличивать с шагом 10 Гц до достижения частоты 50. Затем используются с шагом 2 Гц до 59 Гц. По достижении 59 Гц следует делать шаг 0,1 Гц. Затем, по достижении 60 Гц, приращения можно снова увеличить. Необходимо записать соотношение Vout / Vin и фазовый угол. Если соотношение Vout / Vin не меньше или равно -20 дБ при 60 Гц, значения сопротивления необходимо изменить, чтобы обеспечить это соотношение. Затем на основе этих данных строится график частотной характеристики и график фазовой характеристики. Частотная характеристика должна выглядеть так, как показано на графике, что доказывает, что частоты около 60 Гц удалены, а это именно то, что вам нужно!

Шаг 4. Создайте фильтр нижних частот и протестируйте его

Частота среза фильтра нижних частот определена как 150 Гц. Это значение было выбрано, потому что вы хотите сохранить все частоты, присутствующие в ЭКГ, при удалении лишнего шума, особенно на более высоких частотах. Частота зубца T находится в диапазоне от 0 до 10 Гц, зубца P в диапазоне от 5 до 30 Гц и комплекса QRS в диапазоне от 8 до 50 Гц. Однако аномальная желудочковая проводимость характеризуется более высокими частотами, обычно выше 70 Гц. Поэтому в качестве частоты среза была выбрана частота 150 Гц, чтобы гарантировать, что мы сможем захватить все частоты, даже более высокие частоты, при отсечении высокочастотного шума. В дополнение к частоте среза 150 Гц коэффициент качества K устанавливается равным 1, поскольку дополнительное усиление не требуется. Сначала мы определили значения для R1, R2, R3, R4, C1 и C2, используя следующие расчетные уравнения для фильтра нижних частот:

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

R2 = 1 / [bC1C2R1⍵c ^ 2]

R3 = K (R1 + R2) / (K -1), когда K> 1

R4 = К (R1 + R2)

C2 около 10 мкФ

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

Где K = усиление

⍵c = частота среза (рад / сек)

fc = частота среза (Гц)

a = коэффициент фильтра = 1,414214

b = коэффициент фильтра = 1

Поскольку коэффициент усиления равен 1, R3 заменяется разомкнутой цепью, а R4 заменяется коротким замыканием, которое делает его повторителем напряжения. Следовательно, эти значения не нужно решать. Сначала мы решили значение C2. Подставляя предыдущие значения в это уравнение, мы получаем:

C2 = 10/150 мкФ = 0,047 мкФ

Тогда C1 может быть решена с использованием значения C2.

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

C1 <0,024 мкФ = 0,022 мкФ

После определения значений емкости R1 и R2 можно вычислить следующим образом:

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 Ом

R2 = 1 (1) (0,022x10-6) (0,047x10-6) (25486,92) (2π150) 2 = 42718,89 Ом

С правильным сопротивлением постройте цепь, показанную на принципиальной схеме.

Это последний этап общей конструкции, и он должен быть построен на макете непосредственно слева от режекторного фильтра с выходом режекторного фильтра и входным напряжением для фильтра нижних частот. Эта схема должна быть построена с использованием той же макетной платы, что и ранее, с правильно рассчитанными сопротивлениями и емкостями и одним операционным усилителем. После того, как схема построена с использованием принципиальной схемы на рисунке 3, она проверяется. На данном этапе необходимо проверить только этот каскад, поэтому его не следует подключать ни к инструментальному усилителю, ни к режекторному фильтру. Поэтому источник питания постоянного тока Agilent E3631A используется для питания операционного усилителя с выходом +15 и -15 В, поступающим на контакты 4 и 7. Функциональный генератор настроен на вывод синусоидального сигнала с начальной частотой 10 Гц, Vpp = 1 В и смещение 0 В. Положительный вход должен быть подключен к R1, а отрицательный вход должен быть подключен к земле. Вход также должен быть подключен к каналу 1 осциллографа. Выходной сигнал режекторного фильтра, поступающий с вывода 6 операционного усилителя, отображается на канале 2 осциллографа. Развертка переменного тока измеряется и записывается путем изменения частоты от 10 Гц до 300 Гц. Частоту можно увеличивать с шагом 10 Гц, пока не будет достигнута частота среза 150 Гц. Затем частоту нужно увеличить на 5 Гц до 250 Гц. Для завершения развертки можно использовать более высокие приращения в 10 Гц. Записываются соотношение Vout / Vin и фазовый угол. Если частота среза не равна 150 Гц, тогда значения сопротивления необходимо изменить, чтобы убедиться, что это значение действительно является частотой среза. График частотной характеристики должен выглядеть как на картинке, где вы можете видеть, что частота среза составляет около 150 Гц.

Шаг 5: объедините все 3 компонента и смоделируйте электрокардиограмму (ЭКГ)

Соедините все три этапа, добавив провод между последним компонентом схемы предыдущего компонента и началом следующего компонента. Полная схема видна на схеме.

Используя функциональный генератор, смоделируйте другой сигнал ЭКГ. Если компоненты были собраны и подключены успешно, ваш выходной сигнал на осциллографе должен выглядеть так, как показано на рисунке.

Шаг 6: Настройка платы сбора данных

Над платой DAQ можно увидеть. Подключите его к задней части компьютера, чтобы включить его, и поместите изолированный аналоговый вход в канал 8 платы (ACH 0/8). Вставьте два провода в отверстия, обозначенные «1» и «2» изолированного аналогового входа. Настройте функциональный генератор на вывод сигнала ЭКГ с частотой 1 Гц с Vpp, равным 500 мВ, и смещением 0 В. Подключите выход функционального генератора к проводам, подключенным к изолированному аналоговому входу.

Шаг 7. Откройте LabView, создайте новый проект и настройте DAQ Assistant

Откройте программное обеспечение LabView, создайте новый проект и откройте новый ВП в раскрывающемся меню файла. Щелкните страницу правой кнопкой мыши, чтобы открыть окно компонента. Найдите «DAQ Assistant Input» и перетащите его на экран. Это автоматически откроет первое окно.

Выберите Acquire Signals> Analog Input> Voltage. Это откроет второе окно.

Выберите ai8, потому что вы помещаете изолированный аналоговый вход в канал 8. Нажмите Finish, чтобы открыть последнее окно.

Измените режим сбора данных на «Непрерывные выборки», «Выборки для чтения» на 2 кГц и частоту на 1 кГц. Затем выберите «Выполнить» в верхней части окна, и должен появиться результат, подобный показанному выше. Если сигнал ЭКГ инвертирован, просто переключите соединения от функционального генератора на плату сбора данных. Это показывает, что вы успешно получаете сигнал ЭКГ! (Ура!) Теперь вам нужно его закодировать, чтобы проанализировать!

Шаг 8: Код LabView для анализа компонентов сигнала ЭКГ и расчета сердцебиения

Используйте символы на картинке в LabView

Вы уже разместили DAQ Assistant. DAQ Assistant принимает входной сигнал, представляющий собой аналоговый сигнал напряжения, моделируемый функциональным генератором или получаемый непосредственно от человека, подключенного к соответствующим образом расположенным электродам. Затем он принимает этот сигнал и пропускает его через аналого-цифровой преобразователь с непрерывной выборкой и параметрами из 2000 считываемых выборок, частотой дискретизации 1 кГц и максимальным и минимальным значениями напряжения 10 В и -10 В соответственно. Полученный сигнал затем выводится на график, чтобы его можно было визуально увидеть. Он также берет эту преобразованную форму сигнала и добавляет 5, чтобы обеспечить учет отрицательного смещения, а затем умножается на 200, чтобы сделать пики более отчетливыми, крупными и более простыми для анализа. Затем он определяет максимальное и минимальное значение сигнала в заданном окне продолжительностью 2,5 секунды с помощью операнда max / min. Рассчитанное максимальное значение необходимо умножить на процент, который можно изменить, но обычно он составляет 90% (0,9). Затем это значение добавляется к минимальному значению и отправляется в операнд обнаружения пика в качестве порогового значения. В результате каждая точка графика формы сигнала, превышающая этот порог, определяется как пик и сохраняется как массив пиков в операторе детектора пиков. Затем этот массив пиков отправляется двум различным функциям. Одна из этих функций получает как массив пиков, так и сигнал, выводимый оператором максимального значения. В этой функции dt эти два входа преобразуются во временное значение для каждого пика. Вторая функция состоит из двух операторов индекса, которые принимают выходные данные о местоположении функции обнаружения пика и индексируют их по отдельности, чтобы получить местоположения 0-го пика и 1-го пика. Разница между этими двумя местоположениями вычисляется оператором «минус», а затем умножается на значения времени, полученные с помощью функции dt. Это выводит период или время между двумя пиками в секундах. По определению, 60, разделенное на период, дает BPM. Затем это значение проходит через абсолютный операнд, чтобы убедиться, что результат всегда положительный, а затем округляется до ближайшего целого числа. Это последний шаг в вычислении и окончательном выводе частоты пульса на тот же экран, что и выходной сигнал. В конце это то, как должна выглядеть блок-схема на первом изображении.

После завершения блок-схемы, если вы запустите программу, вы должны получить изображение на выходе.

Шаг 9: объедините схему и компоненты LabView и подключитесь к реальному человеку

А теперь самое интересное! Объедините вашу красивую схему и программу LabView, чтобы получить настоящую ЭКГ и вычислить ее частоту сердечных сокращений. Чтобы модифицировать схему, чтобы она соответствовала требованиям человека и производила жизнеспособный сигнал, коэффициент усиления инструментального усилителя должен быть уменьшен до 100. Это связано с тем, что при подключении к человеку возникает смещение, которое затем насыщает операционный усилитель. Уменьшение усиления уменьшит эту проблему. Сначала коэффициент усиления первого каскада инструментального усилителя изменяется на коэффициент усиления 4, так что общий коэффициент усиления равен 100. Затем, используя уравнение 1, R2 устанавливается на 19,5 кОм, а R1 определяется следующим образом:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 кОм Затем инструментальный усилитель модифицируется путем изменения сопротивления R1 до 13 кОм, как показано в шаге 2 на ранее созданной макетной плате. Вся схема подключена, и ее можно протестировать с помощью LabView. Источник питания постоянного тока Agilent E3631A питает операционные усилители с выходным напряжением +15 В и -15 В, поступающим на контакты 4 и 7. Электроды ЭКГ подключаются к объекту с положительным проводом (G1), идущим к левой лодыжке, отрицательный провод (G2) идет к правому запястью, а земля (COM) идет к правой лодыжке. Вход человека должен поступать на контакт 3 операционных усилителей в первом каскаде схемы с положительным выводом, подключенным к контакту 3 первого операционного усилителя, и отрицательным проводом, подключенным к контакту 3 второго операционного усилителя. Земля соединяется с землей макета. Выход усилителя, поступающий с вывода 6 фильтра нижних частот, подключен к плате сбора данных. Убедитесь, что вы ведете себя очень тихо и тихо, и вы должны получить результат в LabView, похожий на тот, что показан на картинке.

Этот сигнал, очевидно, намного более шумный, чем идеальный сигнал, моделируемый функциональным генератором. В результате ваш пульс будет сильно подскакивать, но должен колебаться в диапазоне 60-90 ударов в минуту. И вот оно! Интересный способ измерить нашу частоту сердечных сокращений, построив схему и написав какое-нибудь программное обеспечение!