EKG dhe Shkalla e Zemrës Ndërfaqja Virtuale e Përdoruesit: 9 Hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:28

Për këtë mësimdhënës, ne do t'ju tregojmë se si të ndërtoni një qark për të marrë rrahjet e zemrës tuaj dhe ta shfaqni atë në një ndërfaqe virtuale të përdoruesit (VUI) me një dalje grafike të rrahjeve të zemrës tuaj dhe rrahjeve të zemrës. Kjo kërkon një kombinim relativisht të thjeshtë të përbërësve të qarkut dhe softuerit LabView për të analizuar dhe nxjerrë të dhënat. Kjo nuk është një pajisje mjekësore. Kjo është për qëllime edukative vetëm duke përdorur sinjale të simuluara. Nëse përdorni këtë qark për matjet e vërteta të EKG-së, ju lutemi sigurohuni që qarku dhe lidhjet qark-instrument të përdorin teknikat e duhura të izolimit.

Materiale

Qarku:

• Breadboard:
• Rezistentët:
• Kondensatorët:
• Op Amps:
• Telat e qarkut (të përfshira në lidhjen e Breadboard)
• Kapëse aligatorësh
• Akordet e bananeve
• Furnizimi me energji Agilent E3631A DC
• Gjeneratori i funksioneve
• Osciloskop

LabView:

• Softueri LabView
• Bordi DAQ
• Telat e qarkut
• Hyrje analoge e izoluar
• Gjenerator funksionesh

Hapi 1: Përcaktoni çfarë filtrash dhe përforcuesish të përdorni

Për të përfaqësuar një sinjal EKG, u hartuan dhe u zbatuan tre faza të ndryshme të qarkut: një përforcues instrumentesh, një filtër të nivelit dhe një filtër me kalim të ulët. Përforcuesi i instrumenteve përforcon sinjalin pasi kur merret nga një subjekt është shpesh shumë i vogël dhe i vështirë për tu parë dhe analizuar. Filtri i nivelit përdoret për të hequr zhurmën në 60Hz sepse një sinjal EKG nuk përmban sinjale në 60Hz. Së fundi, filtri me kalim të ulët heq frekuencat më të larta për të hequr zhurmën nga sinjali dhe në kombinim me filtrin e nivelit lejon vetëm frekuencat që përfaqësohen në një sinjal EKG.

Hapi 2: Ndërtoni Amplifikuesin e Instrumentacionit dhe Provojeni

Përforcuesi kërkohet të ketë një fitim prej 1000 V/V dhe siç mund të shihet, amplifikatori përbëhet nga dy faza. Prandaj, fitimi duhet të shpërndahet në mënyrë të barabartë midis dy fazave, ku K1 është fitimi i fazës së parë dhe K2 fitimi i fazës së dytë. Ne përcaktuam K1 40 dhe K2 25. Këto janë vlera të pranueshme për faktin se kur shumëzohen së bashku, fitohet 1000 V/V, 40 x 25 = 1000, dhe ato janë të një sasie të krahasueshme, me një varianca prej 15 V/V. Duke përdorur këto vlera për përfitim, rezistencat e duhura mund të llogariten. Ekuacionet e mëposhtme përdoren për këto llogaritje:

Faza 1 Fitimi: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Faza 2 Fitimi: K2 = -R4R3 (2)

Ne zgjodhëm në mënyrë arbitrare një vlerë prej R1, në këtë rast ishte 1 kΩ, dhe më pas u zgjidhëm më pas për vlerën e R2. Duke futur ato vlera të mëparshme në ekuacionin për fitimin e fazës 1, marrim:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Importantshtë e rëndësishme të sigurohet që kur zgjidhni rezistencat, ato të jenë në rangun kOhm për shkak të rregullit të madh që sa më i madh të jetë rezistenca, aq më shumë fuqi mund të shpërndahet në mënyrë të sigurt pa pësuar dëmtime. Nëse rezistenca është shumë e vogël dhe ka një rrymë shumë të madhe, do të ketë dëmtim të rezistorit dhe për më tepër qarku vetë nuk do të jetë në gjendje të funksionojë. Duke ndjekur të njëjtin protokoll për fazën 2, ne zgjodhëm në mënyrë arbitrare një vlerë prej R3, 1 kΩ, dhe më pas zgjidhëm për R4. Duke futur vlerat e mëparshme në ekuacionin për fitimin e fazës 2, marrim: 25 = -R4*1000 ⇒R4 = 25000 Ω

Shenja negative mohohet pasi rezistencat nuk mund të jenë negative. Pasi të keni këto vlera, ndërtoni qarkun e mëposhtëm në figurë. Pastaj provojeni!

Furnizimi me energji Agilent E3631A DC fuqizon amplifikatorët operacionalë me një dalje prej +15 V dhe -15 V duke shkuar në kunjat 4 dhe 7. Vendosni gjeneratorin e funksionit që të prodhojë një Formë Vale Kardiake me një frekuencë 1 kHz, një Vpp prej 12.7 mV, dhe një kompensim prej 0 V. Ky hyrje duhet të jetë për pin 3 të amplifikatorëve operacionalë në fazën e parë të qarkut. Dalja e amplifikatorit, që vjen nga kunja 6 e amplifikatorit operacional të fazës së dytë, shfaqet në kanalin 1 të oshiloskopit dhe tensioni kulmin në majë matet dhe regjistrohet. Për të siguruar që përforcuesi i instrumenteve të ketë një fitim prej të paktën 1000 V/V, tensioni kulmin në kulm duhet të jetë së paku 12.7 V.

Hapi 3: Ndërtoni filtrin e nivelit dhe provojeni atë

Filtri i nivelit kërkohet për të hequr zhurmën 60 Hz nga biosignal. Përveç kësaj kërkese, sepse ky filtër nuk ka nevojë të përfshijë ndonjë amplifikim të mëtejshëm, faktori i cilësisë vendoset në 1. Ashtu si me amplifikatorin e instrumenteve, ne së pari përcaktuam vlerat për R1, R2, R3 dhe C duke përdorur modelin e mëposhtëm ekuacionet për një filtër të nivelit: R1 = 1/(2Q⍵0C)

R2 = 2Q/(⍵0C)

R3 = R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β = ⍵c2 -⍵c1

Ku Q = faktori i cilësisë

⍵0 = 2πf0 = frekuenca qendrore në rad/sek

f0 = frekuenca qendrore në Hz

β = gjerësia e brezit në rad/sek

⍵c1, ⍵c2 = frekuencat e ndërprerjes (rad/sek)

Ne zgjodhëm në mënyrë arbitrare një vlerë të C, në këtë rast ishte 0.15 µF, dhe më pas u zgjidhëm më pas për vlerën e R1. Duke futur vlerat e mëparshme të listuara të faktorit të cilësisë, frekuencës së qendrës dhe kapacitetit, marrim:

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

Siç u përmend më lart kur diskutoni modelin e amplifikatorit të instrumenteve, është akoma e rëndësishme të siguroheni që kur zgjidhni për rezistencat që ato janë në rangun kOhm, kështu që asnjë dëmtim nuk i bëhet qarkut. Nëse kur zgjidhet për rezistencat, njëra është shumë e vogël, një vlerë duhet të ndryshohet, siç është kapaciteti, për të siguruar që kjo të mos ndodhë. Ngjashëm me zgjidhjen e ekuacionit për R1, R2 dhe R3 mund të zgjidhet:

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

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

Për më tepër, zgjidhni për gjerësinë e brezit në mënyrë që ta keni atë si një vlerë teorike për ta krahasuar me vlerën eksperimentale më vonë:

1 = (2π60)/β⇒β = 47.12 rad/sek

Pasi të dini se vlerat e rezistencës ndërtojnë qarkun në bukë.

Vetëm kjo fazë e qarkut duhet të testohet në këtë pikë, kështu që nuk duhet të lidhet me amplifikatorin e instrumenteve. Furnizimi me energji Agilent E3631A DC përdoret për të fuqizuar amplifikatorin operacional me një dalje prej +15 V dhe -15 V që shkon në kunjat 4 dhe 7. Funksionuesi gjenerues është vendosur të prodhojë një formë valore sinusoidale me një frekuencë fillestare prej 10 Hz, a Vpp prej 1 V, dhe një kompensim prej 0 V. Hyrja pozitive duhet të lidhet me R1dhe hyrja negative duhet të lidhet me tokën. Hyrja gjithashtu duhet të lidhet me kanalin 1 të oshiloskopit. Dalja e filtrit të nivelit, që vjen nga kunja 6 e amplifikatorit operacional shfaqet në kanalin 2 të oshiloskopit. Një spastrim AC matet dhe regjistrohet duke ndryshuar frekuencën nga 10 Hz në 100 Hz. Frekuenca mund të rritet me rritje prej 10 Hz derisa të arrihet një frekuencë prej 50. Pastaj rritjet prej 2 Hz përdoren deri në 59 Hz. Pasi të arrihet 59 Hz, duhet të merren rritje prej 0.1 Hz. Pastaj, pasi të arrihet 60 Hz, rritjet mund të rriten edhe një herë. Raporti Vout/Vin dhe këndi i fazës duhet të regjistrohen. Nëse raporti Vout/Vin nuk është më i vogël ose i barabartë me -20 dB në 60 Hz, vlerat e rezistencës duhet të ndryshohen për të siguruar këtë raport. Një komplot i përgjigjes së frekuencës dhe komploti i përgjigjes së fazës ndërtohet më pas nga këto të dhëna. Përgjigja e frekuencës duhet të duket si ajo në grafik, e cila dëshmon se frekuencat rreth 60Hz janë hequr, që është ajo që ju dëshironi!

Hapi 4: Ndërtoni një filtër me kalim të ulët dhe provojeni atë

Frekuenca e ndërprerjes së filtrit me kalim të ulët përcaktohet si 150 Hz. Kjo vlerë u zgjodh sepse dëshironi të mbani të gjitha frekuencat e pranishme në EKG ndërsa hiqni zhurmën e tepërt, të gjetur veçanërisht në frekuenca më të larta. Frekuenca e valës T qëndron në intervalin nga 0-10 Hz, vala P në rangun nga 5-30 Hz dhe kompleksi QRS në rangun 8-50 Hz. Sidoqoftë, përcjellja jonormale e ventrikulit karakterizohet nga frekuenca më të larta, zakonisht mbi 70 Hz. Prandaj, 150 Hz u zgjodh si frekuencë ndërprerëse për të siguruar që ne të kapim të gjitha frekuencat, madje edhe frekuencat më të larta, ndërsa ndërpresim zhurmën me frekuencë të lartë. Përveç frekuencës së ndërprerjes 150 Hz, faktori i cilësisë, K, është vendosur në 1 sepse nuk kërkohet amplifikim i mëtejshëm. Ne së pari përcaktuam vlerat për R1, R2, R3, R4, C1 dhe C2 duke përdorur ekuacionet e mëposhtme të projektimit për një filtër me kalim të ulët:

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

R2 = 1/[bC1C2R1⍵c^2]

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

R4 = K (R1+R2)

C2 rreth 10/fc uF

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

Ku K = fitimi

⍵c = frekuenca e ndërprerjes (rad/sek)

fc = frekuenca e ndërprerjes (Hz)

a = koeficienti i filtrit = 1.414214

b = koeficienti i filtrit = 1

Për shkak se përfitimi është 1, R3 zëvendësohet nga një qark i hapur dhe R4 zëvendësohet nga një qark i shkurtër i cili e bën atë një ndjekës të tensionit. Prandaj, ato vlera nuk duhet të zgjidhen. Ne së pari zgjidhëm vlerën e C2. Duke futur vlerat e mëparshme në atë ekuacion, marrim:

C2 = 10/150 uF = 0.047 uF

Pastaj, C1 mund të zgjidhet duke përdorur vlerën e C2.

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

C1 <0.024 uF = 0.022 uF

Pasi të jenë zgjidhur vlerat e kapacitetit, R1 dhe R2 mund të llogariten si më poshtë:

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

Me rezistencat e duhura ndërtoni qarkun e parë në diagramin e qarkut.

Kjo është faza e fundit e dizajnit të përgjithshëm dhe duhet të ndërtohet në tabelën e bukës direkt në të majtë të filtrit të nivelit me daljen e filtrit të nivelit dhe tensionin e hyrjes për filtrin me kalim të ulët. Ky qark do të ndërtohet duke përdorur të njëjtën tabelë buke si më parë, me rezistencat dhe kapacitetet e llogaritura saktë dhe një përforcues operacional. Pasi qarku është ndërtuar duke përdorur diagramin e qarkut në figurën 3, ai testohet. Vetëm kjo fazë duhet të testohet në këtë pikë, kështu që nuk duhet të lidhet as me përforcuesin e instrumenteve, as me filtrin e nivelit. Prandaj, Furnizimi me energji Agilent E3631A DC përdoret për të fuqizuar amplifikatorin operacional me një dalje prej +15 dhe -15 V që shkon në kunjat 4 dhe 7. Funksionuesi gjenerues është vendosur të prodhojë një formë valore sinusoidale me një frekuencë fillestare prej 10 Hz, një Vpp prej 1 V, dhe një kompensim prej 0 V. Hyrja pozitive duhet të lidhet me R1dhe hyrja negative duhet të lidhet me tokën. Hyrja gjithashtu duhet të lidhet me kanalin 1 të oshiloskopit. Dalja e filtrit të nivelit, që vjen nga kunja 6 e amplifikatorit operacional shfaqet në kanalin 2 të oshiloskopit. Një spastrim AC matet dhe regjistrohet duke ndryshuar frekuencën nga 10 Hz në 300 Hz. Frekuenca mund të rritet me rritje 10 Hz derisa të arrihet frekuenca e ndërprerjes prej 150 Hz. Pastaj, frekuenca duhet të rritet me 5 Hz derisa të arrijë 250 Hz. Rritje më të larta prej 10 Hz mund të përdoren për të përfunduar spastrimin. Raporti Vout/Vin dhe këndi i fazës regjistrohen. Nëse frekuenca e ndërprerjes nuk është 150 Hz, atëherë vlerat e rezistencës duhet të ndryshohen për të siguruar që kjo vlerë është në fakt frekuenca e ndërprerjes. Grafiku i përgjigjes së frekuencës duhet të duket si fotografia ku mund të shihni se frekuenca e ndërprerjes është rreth 150Hz.

Hapi 5: Kombinoni të 3 Komponentët dhe Simuloni Elektrokardiogramën (EKG)

Lidhni të tre fazat duke shtuar një tel midis komponentit të qarkut të fundit të komponentit të mëparshëm në fillim të përbërësit tjetër. Qarku i plotë shihet në diagram.

Duke përdorur gjeneratorin e funksionit, simuloni një sinjal tjetër të EKG -së me Nëse komponentët janë ndërtuar dhe lidhur me sukses, dalja juaj në oshiloskop duhet të duket si ajo në figurë.

Hapi 6: Konfiguro Bordin DAQ

Mbi tabelën DAQ mund të shihet. Lidheni atë në pjesën e pasme të kompjuterit për ta fuqizuar atë dhe vendosni Hyrjen Analog të Izoluar në kanalin 8 të tabelës (ACH 0/8). Futni dy tela në vrimat e etiketuara '1' dhe '2' të Inputit Analog të Izoluar. Vendosni gjeneratorin e funksionit për të nxjerrë një sinjal EKG prej 1Hz me një Vpp prej 500mV dhe një kompensim prej 0V. Lidhni daljen e gjeneratorit të funksionit me telat e vendosur në Hyrjen Analog të Izoluar.

Hapi 7: Hapni LabView, Krijoni një Projekt të Ri dhe Vendosni Asistentin DAQ

Hapni softuerin LabView dhe krijoni një projekt të ri dhe hapni një VI të re nën menunë zbritëse të skedarit. Klikoni me të djathtën në faqe për të hapur një dritare përbërëse. Kërkoni për "Hyrjen e Asistentit DAQ" dhe tërhiqeni atë në ekran. Kjo do të tërheqë automatikisht dritaren e parë.

Zgjidhni Fitoni Sinjale> Hyrje Analog> Tension. Kjo do të tërheqë dritaren e dytë.

Zgjidhni ai8 sepse vendosni Input Analog Input tuaj në kanalin 8. Zgjidhni Finish për të tërhequr dritaren e fundit.

Ndryshoni Modalitetin e Blerjes në Mostra të Vazhdueshëm, Mostrat për Lexim në 2k dhe Shkalla në 1kHz. Pastaj Zgjidhni Run në krye të dritares tuaj dhe një dalje si ajo e parë më sipër duhet të shfaqet. Nëse sinjali i EKG -së është i përmbysur, thjesht ndërroni lidhjet nga gjeneratori i funksionit në tabelën DAQ përreth. Kjo tregon se jeni duke fituar me sukses një sinjal EKG! (Po!) Tani ju duhet ta kodoni për ta analizuar!

Hapi 8: Kodi LabView për të analizuar përbërësit e sinjalit të EKG dhe për të llogaritur rrahjet e zemrës

Përdorni simbolet në figurë në LabView

Tashmë keni vendosur Asistentin DAQ. Asistenti DAQ merr sinjalin hyrës, i cili është një sinjal analog i tensionit, ose i simuluar nga një gjenerator funksioni ose i marrë drejtpërdrejt nga një person i lidhur me elektroda të vendosura në mënyrë të përshtatshme. Pastaj merr këtë sinjal dhe e kalon përmes një konvertuesi A/D me marrje të mostrave të vazhdueshme dhe parametra të 2000 mostrave që duhen lexuar, një normë mostre 1 kHz dhe me vlera maksimale dhe minore të tensionit përkatësisht 10V dhe -10V. Ky sinjal i fituar më pas del në një grafik në mënyrë që të shihet vizualisht. Ajo gjithashtu merr këtë formë të konvertuar të valës dhe shton 5, për të siguruar që ajo të ketë një kompensim negativ dhe më pas shumëzohet me 200 për t'i bërë majat më të dallueshme, më të mëdha dhe më të lehta për tu analizuar. Pastaj përcakton vlerën max dhe min të formës së valës brenda dritares së dhënë prej 2.5 sekondash përmes operandit max/min. Vlera maksimale e llogaritur duhet të shumëzohet me një përqindje që mund të ndryshohet, por zakonisht është 90% (0.9). Kjo vlerë i shtohet më pas vlerës minimale dhe dërgohet në operandin e zbulimit të pikut si prag. Si rezultat, çdo pikë e grafit të formës valore që tejkalon këtë prag përcaktohet si një kulm dhe ruhet si një grup majash në operatorin e detektorit të pikut. Ky grup majash dërgohet më pas në dy funksione të ndryshme. Një nga këto funksione merr si grupin e pikut ashtu edhe daljen e formës valore nga operatori i vlerës maksimale. Brenda këtij funksioni, dt, këto dy hyrje konvertohen në një vlerë kohore për secilën nga majat. Funksioni i dytë përbëhet nga dy operatorë indeksi të cilët marrin daljet e vendndodhjes së funksionit të zbulimit të pikut dhe i indeksojnë ato veç e veç për të marrë vendndodhjet e majës 0 dhe pikut të parë. Diferenca midis këtyre dy vendndodhjeve llogaritet nga operatori minus dhe më pas shumëzohet me vlerat e kohës të marra nga funksioni dt. Kjo nxjerr periudhën, ose kohën midis dy majave në sekonda. Sipas përkufizimit, 60 të ndarë me periudhën japin BPM. Kjo vlerë pastaj kalohet përmes një operandi absolut për t'u siguruar që dalja është gjithmonë pozitive dhe pastaj rrumbullakohet në numrin e plotë më të afërt. Ky është hapi i fundit në llogaritjen dhe nxjerrjen përfundimisht të rrahjeve të zemrës në të njëjtin ekran me daljen e formës valore. Në fund kjo është ajo që bllok diagrami duhet të duket si imazhi i parë.

Pas përfundimit të diagramit të bllokut, nëse drejtoni programin, duhet të merrni daljen në figurë.

Hapi 9: Kombinoni qarkun dhe përbërësit LabView dhe lidheni me një person real

Tani për pjesën argëtuese! Kombinimi i qarkut tuaj të bukur dhe programit LabView për të fituar një EKG të vërtetë dhe për të llogaritur rrahjet e zemrës së tij. Për të modifikuar qarkun në përputhje me një njeri dhe për të prodhuar një sinjal të zbatueshëm, fitimi i amplifikatorit të instrumenteve duhet të reduktohet në një fitim prej 100. Kjo është për shkak të faktit se kur lidhet me një person, ekziston një kompensim i cili pastaj ngop amplifikatorin operacional. Duke ulur fitimin, kjo do të zvogëlojë këtë çështje. Së pari, fitimi i fazës së parë të amplifikatorit të instrumenteve ndryshon në një fitim prej 4 në mënyrë që fitimi i përgjithshëm të jetë 100. Pastaj, duke përdorur ekuacionin 1, R2 është vendosur në 19.5 kΩ, dhe R1 është gjetur si më poshtë:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 kΩ Pastaj, amplifikatori i instrumenteve modifikohet duke ndryshuar rezistencën e R1 në 13 kΩ siç tregohet në hapin 2 në pjatën e ndërtuar më parë. I gjithë qarku është i lidhur dhe qarku mund të testohet duke përdorur LabView. Furnizimi me energji Agilent E3631A DC fuqizon amplifikatorët operacionalë me një dalje prej +15 V dhe -15 V duke shkuar në kunjat 4 dhe 7. Elektrodat e EKG -së janë të lidhura me subjektin me plumbin pozitiv (G1) që shkon në kyçin e këmbës së majtë, plumbi negativ (G2) që shkon në kyçin e djathtë, dhe toka (COM) shkon në kyçin e këmbës së djathtë. Hyrja njerëzore duhet të jetë në pinin 3 të amplifikatorëve operacionalë në fazën e parë të qarkut me plumbin pozitiv të lidhur me pin 3 të amplifikatorit të parë operacional dhe plumbin negativ të lidhur me pin 3 të amplifikatorit të dytë operacional. Toka lidhet me tokën e dërrasës së bukës. Dalja e amplifikatorit, që vjen nga kunja 6 e filtrit me kalim të ulët, është ngjitur në tabelën DAQ. Sigurohuni që të jeni shumë të qetë dhe të qetë dhe duhet të merrni një dalje në LabView që duket e ngjashme me atë në figurë.

Ky sinjal është padyshim shumë më i zhurmshëm sesa sinjali i përsosur i simuluar nga gjeneratori i funksionit. Si rezultat, ritmi juaj i zemrës do të kërcejë shumë, por duhet të luhatet me një gamë prej 60-90 BPM. Dhe ja ku e keni! Një mënyrë argëtuese për të matur rrahjet tona të zemrës duke ndërtuar një qark dhe duke koduar disa softuerë!