Muka Pengguna Maya ECG dan Denyut Jantung: 9 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:12

Untuk instruksional ini, kami akan menunjukkan kepada anda bagaimana membuat litar untuk menerima degupan jantung anda dan memaparkannya ke antara muka pengguna maya (VUI) dengan output grafik dari degupan jantung anda dan degup jantung anda. Ini memerlukan gabungan komponen litar yang agak mudah dan perisian LabView untuk menganalisis dan mengeluarkan data. Ini bukan alat perubatan. Ini untuk tujuan pendidikan hanya menggunakan isyarat simulasi. Sekiranya menggunakan litar ini untuk pengukuran ECG sebenar, pastikan rangkaian dan sambungan litar-ke-instrumen menggunakan teknik pengasingan yang betul.

Bahan

Litar:

• Papan Roti:
• Perintang:
• Kapasitor:
• Op Amps:
• Kabel litar (termasuk dalam pautan Breadboard)
• Klip buaya
• Kord pisang
• Bekalan Kuasa Agilent E3631A DC
• Penjana Fungsi
• Osiloskop

Paparan Makmal:

• Perisian LabView
• Papan DAQ
• Wayar litar
• Input Analog Terasing
• Penjana fungsi

Langkah 1: Tentukan Penapis dan Penguat Apa yang Akan Digunakan

Untuk mewakili isyarat EKG, tiga tahap litar yang berbeza dirancang dan dilaksanakan: penguat instrumen, saringan takik, dan penapis lorong rendah. Penguat instrumentasi menguatkan isyarat kerana apabila diterima dari subjek sering sangat kecil dan sukar dilihat dan dianalisis. Penapis takik digunakan untuk menghilangkan kebisingan pada 60Hz kerana isyarat ECG tidak mengandungi isyarat pada 60Hz. Akhirnya, low-pass filter menghilangkan frekuensi yang lebih tinggi untuk mengeluarkan bunyi dari isyarat dan dalam kombinasi dengan notch filter hanya membenarkan frekuensi yang ditunjukkan dalam isyarat ECG.

Langkah 2: Bina Penguat Instrumentasi dan Uji Ia

Penguat mesti mempunyai penguatan 1000 V / V dan seperti yang dapat dilihat, penguat terdiri dari dua tahap. Oleh itu, keuntungan mesti diagihkan secara merata di antara dua peringkat, dengan K1 adalah keuntungan dari tahap pertama dan K2 menjadi keuntungan dari tahap kedua. Kami menentukan K1 menjadi 40 dan K2 menjadi 25. Ini adalah nilai yang boleh diterima kerana fakta bahawa apabila dikalikan bersama, keuntungan 1000 V / V diperoleh, 40 x 25 = 1000, dan jumlahnya setanding, dengan varians 15 V / V. Dengan menggunakan nilai-nilai ini untuk keuntungan, rintangan yang betul kemudian dapat dihitung. Persamaan berikut digunakan untuk pengiraan ini:

Tahap 1 Keuntungan: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Tahap 2 Keuntungan: K2 = -R4R3 (2)

Kami dengan sewenang-wenangnya memilih nilai R1, dalam kes ini adalah 1 kΩ, dan kemudian diselesaikan untuk nilai R2. Memasukkan nilai sebelumnya ke dalam persamaan untuk kenaikan tahap 1, kita mendapat:

40 = 1 + 2R2 * 1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Penting untuk memastikan bahawa ketika memilih rintangan, mereka berada dalam julat kOhm kerana aturan praktis bahawa semakin besar perintangnya, semakin banyak daya dapat hilang dengan selamat tanpa mengalami kerosakan. Sekiranya rintangan terlalu kecil dan arus terlalu besar, akan berlaku kerosakan pada perintang dan selanjutnya litar itu sendiri tidak akan dapat berfungsi. Mengikuti protokol yang sama untuk tahap 2, kami dengan sewenang-wenangnya memilih nilai R3, 1 kΩ, dan kemudian menyelesaikannya untuk R4. Memasukkan nilai sebelumnya ke dalam persamaan untuk kenaikan tahap 2, kita mendapat: 25 = -R4 * 1000 ⇒R4 = 25000 Ω

Tanda negatif ditegaskan kerana rintangan tidak boleh negatif. Setelah anda mempunyai nilai-nilai ini, bina litar berikut yang digambarkan. Kemudian uji!

Bekalan Kuasa Agilent E3631A DC menguatkan penguat operasi dengan output +15 V dan -15 V akan pin 4 dan 7. Tetapkan penjana fungsi untuk menghasilkan Bentuk Gelombang Jantung dengan frekuensi 1 kHz, Vpp 12.7 mV, dan ofset 0 V. Input ini mestilah ke pin 3 penguat operasi pada tahap pertama litar. Keluaran penguat, yang berasal dari pin 6 penguat operasi tahap kedua, ditunjukkan pada saluran 1 osiloskop dan voltan puncak ke puncak diukur dan direkodkan. Untuk memastikan bahawa penguat instrumentasi mempunyai keuntungan sekurang-kurangnya 1000 V / V, voltan puncak ke puncak harus sekurang-kurangnya 12.7 V.

Langkah 3: Bina Notch Filter dan Uji Ia

Penapis takik diperlukan untuk mengeluarkan bunyi 60 Hz dari biosignal. Sebagai tambahan kepada keperluan ini, kerana penapis ini tidak perlu memasukkan penguatan lebih lanjut, faktor kualitas ditetapkan ke 1. Seperti penguat instrumentasi, kami pertama kali menentukan nilai untuk R1, R2, R3, dan C menggunakan reka bentuk berikut persamaan untuk penapis takik: R1 = 1 / (2Q⍵0C)

R2 = 2Q / (⍵0C)

R3 = R1R / (2R1 + R2)

Q = ⍵0 / β

β = ⍵c2 -⍵c1

Di mana Q = faktor kualiti

⍵0 = 2πf0 = frekuensi tengah dalam rad / saat

f0 = frekuensi tengah dalam Hz

β = lebar jalur dalam rad / saat

⍵c1, ⍵c2 = frekuensi pemotongan (rad / saat)

Kami dengan sewenang-wenangnya memilih nilai C, dalam kes ini adalah 0.15 µF, dan kemudian diselesaikan untuk nilai R1. Memasukkan nilai sebelumnya yang disenaraikan dari faktor kualiti, frekuensi pusat, dan kapasitansi, kami mendapat:

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

Seperti yang disebutkan di atas ketika membincangkan reka bentuk penguat instrumentasi, masih penting untuk memastikan bahawa ketika menyelesaikan rintangan bahawa mereka berada dalam julat kOhm sehingga tidak terjadi kerosakan pada litar. Sekiranya semasa menyelesaikan rintangan, satu terlalu kecil, nilai harus diubah, seperti kapasitansi, untuk memastikan ini tidak berlaku. Begitu juga untuk menyelesaikan persamaan untuk R1, R2 dan R3 dapat diselesaikan:

R2 = 2 (1) / [(2π60) (0.15x10-6)] = 289.9 kΩ

R3 = (1105.25) (289.9x103) / [(1105.25) + (289.9x103)] = 1095.84 Ω

Selain itu, selesaikan lebar jalur untuk menjadikannya sebagai nilai teori untuk dibandingkan dengan nilai eksperimen kemudian:

1 = (2π60) / β⇒β = 47.12 rad / saat

Sebaik sahaja anda mengetahui nilai rintangan membina litar di papan roti.

Hanya tahap litar ini yang akan diuji pada ketika ini, jadi tidak boleh disambungkan ke penguat instrumentasi. Bekalan Daya Agilent E3631A DC digunakan untuk menguatkan penguat operasi dengan output +15 V dan -15 V akan pin 4 dan 7. Penjana fungsi diatur untuk menghasilkan bentuk gelombang sinusoidal dengan frekuensi awal 10 Hz, a Vpp 1 V, dan ofset 0 V. Input positif harus dihubungkan ke R1 dan input negatif harus dihubungkan ke tanah. Input juga harus dihubungkan ke saluran 1 osiloskop. Keluaran penapis takik, yang berasal dari pin 6 penguat operasi ditunjukkan pada saluran 2 osiloskop. Sapuan AC diukur dan direkodkan dengan mengubah frekuensi dari 10 Hz hingga 100 Hz. Kekerapan dapat ditingkatkan dengan kenaikan 10 Hz hingga mencapai frekuensi 50. Kemudian kenaikan 2 Hz digunakan hingga 59 Hz. Setelah mencapai 59 Hz, kenaikan 0.1 Hz harus diambil. Kemudian, setelah mencapai 60 Hz, kenaikan sekali lagi dapat ditingkatkan. Nisbah Vout / Vin dan sudut fasa harus direkodkan. Sekiranya nisbah Vout / Vin tidak kurang dari atau sama dengan -20 dB pada 60 Hz, nilai rintangan perlu diubah untuk memastikan nisbah ini. Plot tindak balas frekuensi dan plot tindak balas fasa kemudian dibina dari data ini. Tindak balas frekuensi kelihatan seperti dalam grafik, yang membuktikan bahawa frekuensi sekitar 60Hz dikeluarkan, itulah yang anda mahukan!

Langkah 4: Bina Penapis Lulus Rendah dan Uji Ia

Kekerapan pemotongan penapis lulus rendah ditentukan sebagai 150 Hz. Nilai ini dipilih kerana anda ingin mengekalkan semua frekuensi yang ada dalam EKG sambil menghilangkan lebihan bunyi, yang dijumpai secara khusus pada frekuensi yang lebih tinggi. Kekerapan gelombang T terletak dalam julat dari 0-10 Hz, gelombang P dalam julat dari 5-30 Hz, dan kompleks QRS dalam julat 8-50 Hz. Walau bagaimanapun, konduksi ventrikel yang tidak normal dicirikan oleh frekuensi yang lebih tinggi, biasanya melebihi 70 Hz. Oleh itu, 150 Hz dipilih sebagai frekuensi pemotongan untuk memastikan bahawa kita dapat menangkap semua frekuensi, bahkan frekuensi yang lebih tinggi, sambil memotong bunyi frekuensi tinggi. Sebagai tambahan kepada frekuensi pemotongan 150 Hz, faktor kualiti, K, ditetapkan ke 1 kerana tidak diperlukan penguatan lebih lanjut. Kami pertama kali menentukan nilai untuk R1, R2, R3, R4, C1, dan C2 menggunakan persamaan reka bentuk berikut untuk penapis lulus rendah:

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

R2 = 1 / [bC1C2R1⍵c ^ 2]

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

R4 = K (R1 + R2)

C2 lebih kurang 10 / fc uF

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

Di mana K = perolehan

⍵c = frekuensi pemotongan (rad / saat)

fc = frekuensi pemotongan (Hz)

a = pekali penapis = 1.414214

b = pekali penapis = 1

Kerana keuntungan adalah 1, R3 digantikan oleh litar terbuka dan R4is digantikan oleh litar pintas yang menjadikannya pengikut voltan. Oleh itu, nilai-nilai tersebut tidak harus dipecahkan. Kami mula-mula menyelesaikan nilai C2. Memasukkan nilai sebelumnya ke dalam persamaan itu, kita mendapat:

C2 = 10/150 uF = 0.047 uF

Kemudian, C1 dapat diselesaikan dengan menggunakan nilai C2.

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

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

Setelah nilai kapasitansi diselesaikan, R1 dan R2 dapat dihitung seperti berikut:

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

Dengan rintangan yang betul bina litar yang dilihat dalam rajah litar.

Ini adalah peringkat terakhir dari keseluruhan reka bentuk dan harus dibina di atas papan roti di sebelah kiri penapis takik dengan keluaran saringan takik dan voltan masukan untuk saringan lorong rendah. Litar ini akan dibina menggunakan papan roti yang sama seperti sebelumnya, dengan resistansi dan kapasitansi yang dikira dengan betul, dan satu penguat operasi. Setelah litar dibina menggunakan rajah litar pada rajah 3, ia diuji. Hanya tahap ini yang akan diuji pada tahap ini, jadi tidak boleh dihubungkan dengan penguat instrumentasi atau penekan takik. Oleh itu, Bekalan Daya Agilent E3631A DC digunakan untuk menguatkan penguat operasi dengan output +15 dan -15 V akan pin 4 dan 7. Penjana fungsi ditetapkan untuk menghasilkan bentuk gelombang sinusoidal dengan frekuensi awal 10 Hz, a Vpp 1 V, dan ofset 0 V. Input positif harus disambungkan ke R1 dan input negatif harus disambungkan ke tanah. Input juga harus dihubungkan ke saluran 1 osiloskop. Keluaran penapis takik, yang berasal dari pin 6 penguat operasi ditunjukkan pada saluran 2 osiloskop. Sapuan AC diukur dan direkod dengan mengubah frekuensi dari 10 Hz hingga 300 Hz. Kekerapan dapat ditingkatkan dengan kenaikan 10 Hz sehingga mencapai frekuensi pemotongan 150 Hz. Kemudian, frekuensi harus ditingkatkan sebanyak 5 Hz sehingga mencapai 250 Hz. Kenaikan 10 Hz yang lebih tinggi boleh digunakan untuk menyelesaikan sapuan. Nisbah Vout / Vin dan sudut fasa direkodkan. Sekiranya frekuensi cutoff tidak 150 Hz, maka nilai rintangan perlu diubah untuk memastikan nilai ini sebenarnya adalah frekuensi cutoff. Plot tindak balas frekuensi harus seperti gambar di mana anda dapat melihat bahawa frekuensi pemotongan sekitar 150Hz.

Langkah 5: Gabungkan Semua 3 Komponen dan Simulasi Elektrokardiogram (ECG)

Sambungkan ketiga-tiga peringkat dengan menambahkan wayar antara komponen litar terakhir komponen sebelumnya ke permulaan komponen seterusnya. Litar penuh dilihat dalam rajah.

Dengan menggunakan generator fungsi, simulasi isyarat ECG yang lain dengan Jika komponen berjaya dibina dan disambungkan dengan jayanya, output anda pada osiloskop akan kelihatan seperti dalam gambar.

Langkah 6: Sediakan Papan DAQ

Di atas papan DAQ dapat dilihat. Sambungkannya ke bahagian belakang komputer untuk menghidupkannya dan letakkan Isolasi Analog Terasing di saluran 8 papan (ACH 0/8). Masukkan dua wayar ke dalam lubang berlabel '1' dan '2' dari Input Analog Terasing. Siapkan generator fungsi untuk mengeluarkan isyarat ECG 1Hz dengan Vpp 500mV dan ofset 0V. Sambungkan output penjana fungsi ke wayar yang diletakkan di Input Analog Terasing.

Langkah 7: Buka LabView, Buat Projek Baru dan Siapkan Pembantu DAQ

Buka perisian LabView dan buat projek baru dan buka VI baru di bawah menu tarik turun fail. Klik kanan pada halaman untuk membuka tetingkap komponen. Cari ‘DAQ Assistant Input’ dan seret ke skrin. Ini secara automatik akan membuka tetingkap pertama.

Pilih Dapatkan Isyarat> Input Analog> Voltan. Ini akan membuka tetingkap kedua.

Pilih ai8 kerana anda memasukkan Input Analog Terpencil anda ke saluran 8. Pilih Selesai untuk membuka tetingkap terakhir.

Tukar Modus Pemerolehan ke Sampel Berterusan, Sampel yang Dibaca menjadi 2k dan Kadar ke 1kHz. Kemudian Pilih Jalankan di bahagian atas tetingkap anda dan output seperti yang dilihat di atas akan muncul. Sekiranya isyarat ECG terbalik, ubah sambungan dari generator fungsi ke papan DAQ di sekitarnya. Ini menunjukkan bahawa anda berjaya memperoleh isyarat ECG! (Yay!) Sekarang anda perlu membuat kod untuk menganalisisnya!

Langkah 8: Kod LabView untuk Menganalisis Komponen Isyarat EKG dan Mengira Denyutan Jantung

Gunakan simbol dalam gambar di LabView

Anda telah meletakkan Pembantu DAQ. Pembantu DAQ mengambil isyarat input, yang merupakan isyarat voltan analog, sama ada disimulasikan oleh penjana fungsi atau diterima secara langsung dari orang yang dihubungkan ke elektrod yang diletakkan dengan betul. Ia kemudian mengambil isyarat ini dan menjalankannya melalui penukar A / D dengan pensampelan berterusan dan parameter 2000 sampel yang akan dibaca, kadar persampelan 1 kHz dan dengan nilai voltan maksimum dan min masing-masing 10V dan -10V. Isyarat yang diperoleh ini kemudian dikeluarkan pada grafik sehingga dapat dilihat secara visual. Ia juga mengambil bentuk gelombang yang ditukar ini dan menambahkan 5, untuk memastikannya menyumbang ofset negatif dan kemudian dikalikan dengan 200 untuk menjadikan puncaknya lebih jelas, lebih besar dan lebih mudah untuk dianalisis. Ia kemudian menentukan nilai maksimum dan min bentuk gelombang dalam tetingkap yang diberikan selama 2.5 saat melalui operasi maks / min. Nilai maksimum yang dikira perlu dikalikan dengan peratusan yang boleh diubah tetapi biasanya 90% (0.9). Nilai ini kemudian ditambahkan ke nilai min dan dikirim ke puncak operasi mengesan sebagai ambang. Akibatnya setiap titik grafik bentuk gelombang yang melebihi ambang ini didefinisikan sebagai puncak dan disimpan sebagai susunan puncak pada operator pengesan puncak. Susunan puncak ini kemudian dihantar ke dua fungsi yang berbeza. Salah satu fungsi ini menerima baik array puncak dan output gelombang oleh operator nilai maksimum. Dalam fungsi ini, dt, kedua input ini ditukar menjadi nilai waktu untuk setiap puncak. Fungsi kedua terdiri daripada dua operator indeks yang mengambil output lokasi fungsi pengesanan puncak dan mengindeksnya secara berasingan untuk mendapatkan lokasi puncak 0 dan puncak 1. Perbezaan antara kedua lokasi ini dikira oleh operator tolak dan kemudian dikalikan dengan nilai masa yang diperoleh dari fungsi dt. Ini menghasilkan jangka masa, atau waktu antara dua puncak dalam beberapa saat. Secara definisi, 60 dibahagi dengan tempoh memberikan BPM. Nilai ini kemudian dijalankan melalui operan mutlak untuk memastikan output sentiasa positif dan kemudian dibundarkan ke nombor bulat terdekat. Ini adalah langkah terakhir dalam mengira dan akhirnya mengeluarkan denyut jantung ke skrin yang sama dengan output bentuk gelombang. Pada akhirnya inilah gambarajah blok seperti gambar pertama.

Setelah melengkapkan gambarajah blok, jika anda menjalankan program, anda harus mendapatkan output yang digambarkan.

Langkah 9: Gabungkan Litar dan Komponen LabView dan Hook Up to a Real Person

Sekarang untuk bahagian yang menyeronokkan! Menggabungkan rangkaian indah anda dan program LabView untuk memperoleh ECG sebenar dan mengira kadar degupan jantungnya. Untuk mengubah litar untuk mematuhi manusia dan menghasilkan isyarat yang dapat dilaksanakan, keuntungan penguat instrumen mesti dikurangkan menjadi keuntungan 100. Ini disebabkan oleh fakta bahawa apabila disambungkan ke seseorang, terdapat ofset yang kemudian tepu penguat operasi. Dengan menurunkan keuntungan, ini akan mengurangkan masalah ini. Pertama, keuntungan tahap pertama penguat instrumentasi diubah menjadi kenaikan 4 sehingga keuntungan keseluruhan adalah 100. Kemudian, dengan menggunakan persamaan 1, R2is ditetapkan ke 19.5 kΩ, dan R1is dijumpai seperti berikut:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 kΩ Kemudian, penguat instrumentasi diubah dengan mengubah rintangan R1 hingga 13 kΩ seperti yang ditunjukkan pada langkah 2 pada papan roti yang dibina sebelumnya. Keseluruhan litar disambungkan dan litar dapat diuji menggunakan LabView. Agilent E3631A DC Power Supply menguatkan penguat operasi dengan output +15 V dan -15 V akan pin 4 dan 7. Elektrod ECG disambungkan ke subjek dengan plumbum positif (G1) menuju ke pergelangan kaki kiri, plumbum negatif (G2) menuju ke pergelangan tangan kanan, dan tanah (COM) menuju ke pergelangan kaki kanan. Input manusia harus ke pin 3 penguat operasi pada tahap pertama litar dengan plumbum positif disambungkan ke pin 3 penguat operasi pertama dan plumbum negatif disambungkan ke pin 3 penguat operasi kedua. Tanah menghubungkan ke tanah papan roti. Keluaran penguat, yang berasal dari pin 6 penapis lorong rendah, dipasang pada papan DAQ. Pastikan anda diam dan sunyi dan anda akan mendapat output di LabView yang kelihatan serupa dengan yang terdapat dalam gambar.

Isyarat ini jelas jauh lebih bising daripada isyarat sempurna yang disimulasikan oleh fungsi penjana. Hasilnya, degupan jantung anda akan meningkat banyak tetapi harus turun naik dengan julat 60-90 BPM. Dan di sana anda memilikinya! Kaedah yang menyenangkan untuk mengukur degupan jantung kita sendiri dengan membina litar dan mengekodkan beberapa perisian!