Virtuelle Benutzeroberfläche für EKG und Herzfrequenz - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

Für dieses anweisbare zeigen wir Ihnen, wie Sie eine Schaltung aufbauen, um Ihren Herzschlag zu empfangen und ihn auf einer virtuellen Benutzeroberfläche (VUI) mit einer grafischen Ausgabe Ihres Herzschlags und Ihrer Herzfrequenz anzuzeigen. Dies erfordert eine relativ einfache Kombination von Schaltungskomponenten und der Software LabView zur Analyse und Ausgabe der Daten. Dies ist kein Medizinprodukt. Dies dient nur zu Bildungszwecken mit simulierten Signalen. Wenn Sie diesen Stromkreis für echte EKG-Messungen verwenden, stellen Sie bitte sicher, dass der Stromkreis und die Stromkreis-zu-Gerät-Verbindungen geeignete Isolationstechniken verwenden.

Materialien

Schaltkreis:

• Steckbrett:
• Widerstände:
• Kondensatoren:
• Operationsverstärker:
• Schaltungsdrähte (im Breadboard-Link enthalten)
• Krokodilklemmen
• Bananenakkorde
• Agilent E3631A DC-Netzteil
• Funktionsgenerator
• Oszilloskop

LabView:

• LabView-Software
• DAQ-Platine
• Stromkreisdrähte
• Isolierter Analogeingang
• Funktionsgenerator

Schritt 1: Bestimmen Sie, welche Filter und Verstärker zu verwenden sind

Um ein EKG-Signal darzustellen, wurden drei verschiedene Stufen der Schaltung entworfen und implementiert: ein Instrumentenverstärker, ein Notch-Filter und ein Tiefpassfilter. Der Instrumentenverstärker verstärkt das Signal, da es, wenn es von einem Objekt empfangen wird, oft sehr klein und schwer zu sehen und zu analysieren ist. Der Notch-Filter wird verwendet, um Rauschen bei 60 Hz zu entfernen, da ein EKG-Signal keine Signale bei 60 Hz enthält. Schließlich entfernt der Tiefpassfilter höhere Frequenzen, um Rauschen aus dem Signal zu entfernen, und lässt in Kombination mit dem Kerbfilter nur die Frequenzen zu, die in einem EKG-Signal dargestellt werden.

Schritt 2: Bauen Sie einen Instrumentenverstärker und testen Sie ihn

Der Verstärker muss eine Verstärkung von 1000 V/V haben und wie man sieht, besteht der Verstärker aus zwei Stufen. Daher muss die Verstärkung gleichmäßig auf die beiden Stufen verteilt werden, wobei K1 die Verstärkung der ersten Stufe und K2 die Verstärkung der zweiten Stufe ist. Wir haben K1 mit 40 und K2 mit 25 bestimmt. Dies sind akzeptable Werte, da multipliziert eine Verstärkung von 1000 V/V erhalten wird, 40 x 25 = 1000, und sie haben einen vergleichbaren Betrag mit a Abweichung von 15 V/V. Unter Verwendung dieser Werte für die Verstärkung können dann die richtigen Widerstände berechnet werden. Für diese Berechnungen werden die folgenden Gleichungen verwendet:

Stufe 1 Verstärkung: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Stufe 2 Verstärkung: K2 = -R4R3 (2)

Wir haben willkürlich einen Wert von R1 gewählt, in diesem Fall war es 1 kΩ und dann nach dem Wert von R2 aufgelöst. Setzen wir diese vorherigen Werte in die Gleichung für die Verstärkung der Stufe 1 ein, erhalten wir:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19.500 Ω

Bei der Auswahl der Widerstände ist darauf zu achten, dass diese im kOhm-Bereich liegen, denn als Faustregel gilt: Je größer der Widerstand, desto mehr Leistung kann sicher abgeführt werden, ohne Schaden zu nehmen. Wenn der Widerstand zu klein ist und ein zu großer Strom fließt, wird der Widerstand beschädigt und außerdem kann die Schaltung selbst nicht funktionieren. Nach dem gleichen Protokoll für Stufe 2 wählten wir willkürlich einen Wert von R3, 1 kΩ, und lösten dann nach R4 auf. Setzen wir die vorherigen Werte in die Gleichung für die Verstärkung der Stufe 2 ein, erhalten wir: 25 = -R4*1000 ⇒R4= 25000 Ω

Das negative Vorzeichen wird negiert, da Widerstände nicht negativ sein können. Sobald Sie diese Werte haben, bauen Sie die folgende abgebildete Schaltung auf. Dann teste es!

Das Agilent E3631A DC-Netzteil versorgt die Operationsverstärker mit einem Ausgang von +15 V und -15 V über die Pins 4 und 7. Stellen Sie den Funktionsgenerator so ein, dass er eine Herzwellenform mit einer Frequenz von 1 kHz, einem Vpp von 12,7 mV ausgibt, und einem Offset von 0 V. Dieser Eingang sollte an Pin 3 des Operationsverstärkers in der ersten Stufe der Schaltung erfolgen. Der Ausgang des Verstärkers, der von Pin 6 des Operationsverstärkers der zweiten Stufe kommt, wird auf Kanal 1 des Oszilloskops angezeigt und die Spannung Spitze-Spitze wird gemessen und aufgezeichnet. Um sicherzustellen, dass der Instrumentenverstärker eine Verstärkung von mindestens 1000 V/V hat, sollte die Spannung Spitze-Spitze mindestens 12,7 V betragen.

Schritt 3: Notch-Filter erstellen und testen

Der Notch-Filter ist erforderlich, um 60 Hz-Rauschen aus dem Biosignal zu entfernen. Da dieses Filter keine weitere Verstärkung beinhalten muss, wird zusätzlich zu dieser Anforderung der Gütefaktor auf 1 gesetzt. Wie beim Instrumentenverstärker haben wir zunächst die Werte für R1, R2, R3 und C mit folgendem Design ermittelt Gleichungen für einen Notch-Filter:R1= 1/(2Q⍵0C)

R2= 2Q/(⍵0C)

R3= R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β= c2 -⍵c1

Wobei Q = Qualitätsfaktor

⍵0= 2πf0= Mittenfrequenz in rad/sec

f0= Mittenfrequenz in Hz

β = Bandbreite in rad/sec

⍵c1, ⍵c2= Grenzfrequenzen (rad/sec)

Wir haben willkürlich einen Wert von C gewählt, in diesem Fall waren es 0,15 µF, und dann nach dem Wert von R1 aufgelöst. Wenn wir die zuvor aufgeführten Werte des Qualitätsfaktors, der Mittenfrequenz und der Kapazität einsetzen, erhalten wir:

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

Wie oben bei der Diskussion des Designs des Instrumentenverstärkers erwähnt, ist es dennoch wichtig, beim Auflösen der Widerstände darauf zu achten, dass diese im kOhm-Bereich liegen, damit die Schaltung nicht beschädigt wird. Wenn beim Auflösen nach den Widerständen einer zu klein ist, sollte ein Wert wie die Kapazität geändert werden, damit dies nicht auftritt. Ähnlich wie die Gleichung für R1, R2 und R3 gelöst werden kann:

R2= 2(1)/[(2π60)(0.15x10-6)]= 289,9 kΩ

R3= (1105,25)(289,9x103)/[(1105.25) + (289,9x103)]= 1095,84

Lösen Sie zusätzlich nach der Bandbreite auf, um sie als theoretischen Wert zu erhalten, den Sie später mit dem experimentellen Wert vergleichen können:

1 = (2π60)/β⇒β = 47,12 rad/s

Sobald Sie die Widerstandswerte kennen, bauen Sie die Schaltung auf dem Steckbrett auf.

An dieser Stelle soll nur diese Stufe der Schaltung getestet werden, daher sollte sie nicht an den Messverstärker angeschlossen werden. Das Agilent E3631A DC-Netzteil wird verwendet, um den Operationsverstärker mit einem Ausgang von +15 V und -15 V an den Pins 4 und 7 zu versorgen. Der Funktionsgenerator ist so eingestellt, dass er eine Sinuswellenform mit einer Anfangsfrequenz von 10 Hz ausgibt, a Vpp von 1 V und einem Offset von 0 V. Der positive Eingang sollte mit R1 und der negative Eingang mit Masse verbunden werden. Der Eingang sollte auch mit Kanal 1 des Oszilloskops verbunden werden. Der Ausgang des Notchfilters, der von Pin 6 des Operationsverstärkers kommt, wird auf Kanal 2 des Oszilloskops angezeigt. Ein AC-Sweep wird gemessen und aufgezeichnet, indem die Frequenz von 10 Hz bis 100 Hz variiert wird. Die Frequenz kann in Schritten von 10 Hz erhöht werden, bis eine Frequenz von 50 erreicht wird. Danach werden Schritte von 2 Hz bis 59 Hz verwendet. Sobald 59 Hz erreicht sind, sollten Schritte von 0,1 Hz genommen werden. Dann, nach Erreichen von 60 Hz, können die Inkremente wieder erhöht werden. Das Vout/Vin-Verhältnis und der Phasenwinkel sind aufzuzeichnen. Wenn das Verhältnis Vout/Vin nicht kleiner oder gleich -20 dB bei 60 Hz ist, müssen die Widerstandswerte geändert werden, um dieses Verhältnis zu gewährleisten. Aus diesen Daten wird dann ein Frequenzgang- und ein Phasengang-Plot erstellt. Der Frequenzgang sollte wie in der Grafik aussehen, was beweist, dass Frequenzen um 60 Hz entfernt werden, was Sie wollen!

Schritt 4: Tiefpassfilter erstellen und testen

Die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters wird mit 150 Hz festgelegt. Dieser Wert wurde gewählt, weil Sie alle im EKG vorhandenen Frequenzen beibehalten und gleichzeitig das überschüssige Rauschen entfernen möchten, das insbesondere bei höheren Frequenzen zu finden ist. Die Frequenz der T-Welle liegt im Bereich von 0-10 Hz, der P-Welle im Bereich von 5-30 Hz und des QRS-Komplexes im Bereich 8-50 Hz. Eine abnormale ventrikuläre Überleitung ist jedoch durch höhere Frequenzen gekennzeichnet, typischerweise über 70 Hz. Daher wurde 150 Hz als Grenzfrequenz gewählt, um sicherzustellen, dass wir alle Frequenzen, auch die höheren Frequenzen, erfassen und gleichzeitig hochfrequentes Rauschen abschneiden können. Zusätzlich zur Grenzfrequenz von 150 Hz wird der Qualitätsfaktor K auf 1 gesetzt, da keine weitere Verstärkung erforderlich ist. Wir haben zunächst die Werte für R1, R2, R3, R4, C1 und C2 mit den folgenden Konstruktionsgleichungen für einen Tiefpassfilter bestimmt:

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

R2= 1/[bC1C2R1⍵c^2]

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

R4= K(R1+R2)

C2 ungefähr 10/fc uF

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

Wobei K = Gewinn

⍵c= Grenzfrequenz (rad/sec)

fc= Grenzfrequenz (Hz)

a = Filterkoeffizient = 1,414214

b = Filterkoeffizient = 1

Da die Verstärkung 1 ist, wird R3 durch einen offenen Stromkreis und R4 durch einen Kurzschluss ersetzt, was ihn zu einem Spannungsfolger macht. Daher müssen diese Werte nicht gelöst werden. Wir haben zuerst nach dem Wert von C2 gelöst. Setzen wir die vorherigen Werte in diese Gleichung ein, erhalten wir:

C2 = 10/150 uF=0,047 uF

Dann kann C1 mit dem Wert von C2 gelöst werden.

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

C1 < 0,024 uF= 0,022 uF

Nachdem die Kapazitätswerte aufgelöst wurden, können R1 und R2 wie folgt berechnet werden:

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

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

Bauen Sie mit den richtigen Widerständen die Schaltung aus dem Schaltplan auf.

Dies ist die letzte Stufe des Gesamtdesigns und sollte auf dem Steckbrett direkt links vom Kerbfilter mit dem Ausgang des Kerbfilters und der Eingangsspannung für den Tiefpassfilter aufgebaut werden. Diese Schaltung soll mit dem gleichen Steckbrett wie zuvor mit den korrekt berechneten Widerständen und Kapazitäten und einem Operationsverstärker aufgebaut werden. Sobald die Schaltung mit dem Schaltplan in Abbildung 3 aufgebaut ist, wird sie getestet. An dieser Stelle soll nur diese Stufe getestet werden, sie sollte also weder mit dem Instrumentenverstärker noch mit dem Notch-Filter verbunden werden. Daher wird das Agilent E3631A DC-Netzteil verwendet, um den Operationsverstärker mit einem Ausgang von +15 und -15 V an den Pins 4 und 7 zu versorgen. Der Funktionsgenerator ist so eingestellt, dass er eine Sinuswellenform mit einer Anfangsfrequenz von 10 Hz ausgibt. ein Vpp von 1 V und ein Offset von 0 V. Der positive Eingang sollte mit R1 und der negative Eingang mit Masse verbunden werden. Der Eingang sollte auch mit Kanal 1 des Oszilloskops verbunden werden. Der Ausgang des Notchfilters, der von Pin 6 des Operationsverstärkers kommt, wird auf Kanal 2 des Oszilloskops angezeigt. Ein AC-Sweep wird gemessen und aufgezeichnet, indem die Frequenz von 10 Hz bis 300 Hz variiert wird. Die Frequenz kann in Schritten von 10 Hz erhöht werden, bis die Grenzfrequenz von 150 Hz erreicht ist. Dann sollte die Frequenz um 5 Hz erhöht werden, bis 250 Hz erreicht sind. Höhere Inkremente von 10 Hz können verwendet werden, um den Sweep zu beenden. Das Vout/Vin-Verhältnis und der Phasenwinkel werden aufgezeichnet. Wenn die Grenzfrequenz nicht 150 Hz beträgt, müssen die Widerstandswerte geändert werden, um sicherzustellen, dass dieser Wert tatsächlich die Grenzfrequenz ist. Der Frequenzgang sollte wie auf dem Bild aussehen, wo Sie sehen können, dass die Grenzfrequenz bei etwa 150 Hz liegt.

Schritt 5: Kombinieren Sie alle 3 Komponenten und simulieren Sie ein Elektrokardiogramm (EKG)

Verbinden Sie alle drei Stufen, indem Sie einen Draht zwischen der letzten Schaltungskomponente der vorherigen Komponente und dem Anfang der nächsten Komponente hinzufügen. Die vollständige Schaltung ist im Diagramm zu sehen.

Simulieren Sie mit dem Funktionsgenerator ein weiteres EKG-Signal durch Wenn die Komponenten erfolgreich aufgebaut und angeschlossen wurden, sollte Ihre Ausgabe auf dem Oszilloskop wie im Bild aussehen.

Schritt 6: DAQ-Board einrichten

Oben ist die DAQ-Platine zu sehen. Schließen Sie es an der Rückseite des Computers an, um es einzuschalten, und platzieren Sie den isolierten Analogeingang in Kanal 8 der Platine (ACH 0/8). Stecken Sie zwei Drähte in die mit „1“und „2“gekennzeichneten Löcher des isolierten Analogeingangs. Stellen Sie den Funktionsgenerator so ein, dass er ein EKG-Signal von 1 Hz mit einem Vpp von 500 mV und einem Offset von 0 V ausgibt. Verbinden Sie den Ausgang des Funktionsgenerators mit den Drähten des isolierten Analogeingangs.

Schritt 7: LabView öffnen, ein neues Projekt erstellen und den DAQ-Assistenten einrichten

Öffnen Sie die LabView-Software und erstellen Sie ein neues Projekt und öffnen Sie ein neues VI im Datei-Dropdown-Menü. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Seite, um ein Komponentenfenster zu öffnen. Suchen Sie nach „DAQ Assistant Input“und ziehen Sie es auf den Bildschirm. Dadurch wird automatisch das erste Fenster geöffnet.

Wählen Sie Signale erfassen > Analogeingang > Spannung. Dadurch wird das zweite Fenster geöffnet.

Wählen Sie ai8, da Sie Ihren isolierten Analogeingang in Kanal 8 platziert haben. Wählen Sie Fertig stellen, um das letzte Fenster aufzurufen.

Ändern Sie den Erfassungsmodus auf Continuous Samples, die Samples auf Read auf 2k und die Rate auf 1kHz. Wählen Sie dann Ausführen oben in Ihrem Fenster und eine Ausgabe wie die oben gezeigte sollte angezeigt werden. Wenn das EKG-Signal invertiert ist, schalten Sie einfach die Verbindungen vom Funktionsgenerator zur DAQ-Platine um. Dies zeigt, dass Sie erfolgreich ein EKG-Signal erfassen! (Yay!) Jetzt müssen Sie es codieren, um es zu analysieren!

Schritt 8: LabView codieren, um Komponenten des EKG-Signals zu analysieren und den Herzschlag zu berechnen

Verwenden Sie die Symbole im Bild in LabView

Sie haben den DAQ-Assistenten bereits platziert. Der DAQ Assistant nimmt das Eingangssignal, bei dem es sich um ein analoges Spannungssignal handelt, das entweder von einem Funktionsgenerator simuliert oder direkt von einer Person empfangen wird, die an entsprechend platzierte Elektroden angeschlossen ist. Es nimmt dann dieses Signal und führt es durch einen A/D-Wandler mit kontinuierlicher Abtastung und Parametern von 2000 zu lesenden Abtastwerten, einer Abtastrate von 1 kHz und mit maximalen und minimalen Spannungswerten von 10 V bzw. -10 V. Dieses erfasste Signal wird dann in einem Diagramm ausgegeben, damit es visuell gesehen werden kann. Es nimmt auch diese umgewandelte Wellenform und addiert 5, um sicherzustellen, dass sie einen negativen Offset berücksichtigt, und wird dann mit 200 multipliziert, um die Spitzen deutlicher, größer und einfacher zu analysieren. Es bestimmt dann den Max- und Min-Wert der Wellenform innerhalb des gegebenen Fensters von 2,5 Sekunden durch den Max/Min-Operanden. Der berechnete Höchstwert muss mit einem Prozentsatz multipliziert werden, der geändert werden kann, aber normalerweise 90% (0,9) beträgt. Dieser Wert wird dann zum Min-Wert addiert und als Schwellenwert an den Peak-Detect-Operanden gesendet. Als Ergebnis wird jeder Punkt des Wellenformdiagramms, der diesen Schwellenwert überschreitet, als ein Peak definiert und als ein Array von Peaks im Peak-Detektor-Operator gespeichert. Dieses Array von Peaks wird dann an zwei verschiedene Funktionen gesendet. Eine dieser Funktionen empfängt sowohl das Spitzenarray als auch die Wellenformausgabe des Maximalwertoperators. Innerhalb dieser Funktion dt werden diese beiden Eingaben für jeden der Spitzenwerte in einen Zeitwert umgewandelt. Die zweite Funktion besteht aus zwei Indexoperatoren, die die Ortsausgaben der Spitzenwerterkennungsfunktion nehmen und sie separat indizieren, um die Orte des 0. Spitzenwertes und des ersten Spitzenwertes zu erhalten. Die Differenz zwischen diesen beiden Orten wird durch den Minusoperator berechnet und dann mit den aus der dt-Funktion erhaltenen Zeitwerten multipliziert. Dies gibt die Periode oder die Zeit zwischen zwei Spitzenwerten in Sekunden aus. Per Definition ergibt 60 geteilt durch die Periode BPM. Dieser Wert durchläuft dann einen absoluten Operanden, um sicherzustellen, dass die Ausgabe immer positiv ist, und wird dann auf die nächste ganze Zahl gerundet. Dies ist der letzte Schritt bei der Berechnung und Ausgabe der Herzfrequenz auf demselben Bildschirm wie die Wellenformausgabe. Am Ende sollte das Blockschaltbild so aussehen wie das erste Bild.

Nachdem Sie das Blockdiagramm fertiggestellt haben, sollten Sie beim Ausführen des Programms die abgebildete Ausgabe erhalten.

Schritt 9: Kombinieren Sie die Schaltung und die LabView-Komponenten und schließen Sie eine echte Person an

Jetzt zum lustigen Teil! Kombinieren Sie Ihren schönen Zirkel und das LabView-Programm, um ein echtes EKG zu erfassen und seine Herzfrequenz zu berechnen. Um die Schaltung an einen Menschen anzupassen und ein brauchbares Signal zu erzeugen, muss die Verstärkung des Instrumentenverstärkers auf eine Verstärkung von 100 reduziert werden. Dies liegt daran, dass bei Anschluss an eine Person ein Offset dann sättigt der Operationsverstärker. Durch Verringern der Verstärkung wird dieses Problem verringert. Zuerst wird die Verstärkung der ersten Stufe des Instrumentenverstärkers auf eine Verstärkung von 4 geändert, so dass die Gesamtverstärkung 100 beträgt. Dann wird unter Verwendung von Gleichung 1 R2 auf 19,5 kΩ gesetzt und R1 wird wie folgt ermittelt:

4 = 1 + 2(19, 500)R1⇒R1= 13 kΩ Dann wird der Instrumentenverstärker modifiziert, indem der Widerstand von R1 auf 13 kΩ geändert wird, wie in Schritt 2 auf dem zuvor gebauten Steckbrett gezeigt. Die gesamte Schaltung ist angeschlossen und die Schaltung kann mit LabView getestet werden. Das Agilent E3631A DC-Netzteil versorgt die Operationsverstärker mit einem Ausgang von +15 V und -15 V an den Pins 4 und 7. Die EKG-Elektroden werden mit dem Patienten verbunden, wobei die positive Leitung (G1) zum linken Knöchel führt Minuskabel (G2) zum rechten Handgelenk und Masse (COM) zum rechten Knöchel. Der menschliche Eingang sollte an Pin 3 des Operationsverstärkers in der ersten Stufe der Schaltung erfolgen, wobei die positive Leitung an Pin 3 des ersten Operationsverstärkers und die negative Leitung an Pin 3 des zweiten Operationsverstärkers angeschlossen ist. Die Masse verbindet sich mit der Masse des Steckbretts. Der Ausgang des Verstärkers, der von Pin 6 des Tiefpassfilters kommt, wird an die DAQ-Platine angeschlossen. Stellen Sie sicher, dass Sie sehr ruhig und leise sind, und Sie sollten in LabView eine Ausgabe erhalten, die der auf dem Bild ähnelt.

Dieses Signal ist offensichtlich viel verrauschter als das vom Funktionsgenerator simulierte perfekte Signal. Infolgedessen wird Ihre Herzfrequenz stark schwanken, sollte jedoch in einem Bereich von 60-90 BPM schwanken. Und da hast du es! Eine unterhaltsame Art, unsere eigene Herzfrequenz zu messen, indem man einen Stromkreis baut und etwas Software programmiert!