Interfície d'usuari virtual d'ECG i freqüència cardíaca: 9 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:16

Per a aquesta instrucció, us mostrarem com construir un circuit per rebre els batecs del vostre cor i el mostrarem en una interfície d’usuari virtual (VUI) amb una sortida gràfica del batec i la freqüència cardíaca. Això requereix una combinació relativament senzilla de components del circuit i el programari LabView per analitzar i generar les dades. No es tracta d’un dispositiu mèdic. Això només té finalitats educatives mitjançant senyals simulats. Si utilitzeu aquest circuit per a mesures reals d’ECG, assegureu-vos que el circuit i les connexions de circuit a instrument utilitzen tècniques d’aïllament adequades.

Materials

Circuit:

• Taula de pa:
• Resistències:
• Condensadors:
• Amplificadors d’Operació:
• Cables de circuit (inclosos a l'enllaç Breadboard)
• Clips de cocodril
• Acords de plàtan
• Alimentació CC Agilent E3631A
• Generador de funcions
• Oscil·loscopi

LabView:

• Programari LabView
• Tauler DAQ
• Cable de circuit
• Entrada analògica aïllada
• Generador de funcions

Pas 1: determineu quins filtres i amplificadors heu d'utilitzar

Per tal de representar un senyal d’ECG, es van dissenyar i implementar tres etapes diferents del circuit: un amplificador d’instrumentació, un filtre de graella i un filtre de pas baix. L’amplificador d’instrumentació amplifica el senyal ja que quan es rep d’un subjecte sovint és molt petit i és difícil de veure i analitzar. El filtre de tacs s’utilitza per eliminar el soroll a 60Hz perquè un senyal ECG no conté senyals a 60Hz. Finalment, el filtre de pas baix elimina freqüències més altes per eliminar el soroll del senyal i, en combinació amb el filtre de tac, només permet les freqüències que es representen en un senyal ECG.

Pas 2: creeu un amplificador d'instrumentació i proveu-lo

Cal que l’amplificador tingui un guany de 1000 V / V i, com es pot veure, l’amplificador es compon de dues etapes. Per tant, el guany s'ha de distribuir uniformement entre les dues etapes, sent K1 el guany de la primera etapa i K2 el guany de la segona etapa. Es va determinar que K1 era 40 i K2 25. Aquests són valors acceptables pel fet que, multiplicant-se junts, s’obté un guany de 1000 V / V, 40 x 25 = 1000, i són d’una quantitat comparable, amb un variància de 15 V / V. Utilitzant aquests valors per obtenir el guany, es poden calcular les resistències adequades. Per a aquests càlculs s’utilitzen les equacions següents:

Guany de la fase 1: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Guany de la fase 2: K2 = -R4R3 (2)

Vam triar arbitràriament un valor de R1, en aquest cas era 1 kΩ i, posteriorment, es va resoldre el valor de R2. Connectant aquests valors anteriors a l’equació del guany de l’etapa 1, obtenim:

40 = 1 + 2R2 * 1000⇒R2 = 19, 500 Ω

És important assegurar-se que a l’hora d’escollir les resistències, estiguin en el rang de kOhm a causa de la regla general que com més gran és la resistència, més potència es pot dissipar amb seguretat sense patir danys. Si la resistència és massa petita i hi ha un corrent massa gran, hi haurà danys a la resistència i, a més, el circuit no podrà funcionar. Seguint el mateix protocol per a l'etapa 2, vam triar arbitràriament un valor de R3, 1 kΩ, i després vam resoldre per R4. Connectant els valors anteriors a l’equació del guany de l’etapa 2, obtenim: 25 = -R4 * 1000 ⇒R4 = 25000 Ω

El signe negatiu es nega ja que les resistències no poden ser negatives. Un cop tingueu aquests valors, creeu el següent circuit de la imatge. A continuació, proveu-ho!

La font d'alimentació CC Agilent E3631A alimenta els amplificadors operatius amb una sortida de +15 V i -15 V que passen als pins 4 i 7. Configureu el generador de funcions perquè emeti una forma d'ona cardíaca amb una freqüència d'1 kHz, una Vpp de 12,7 mV, i un desplaçament de 0 V. Aquesta entrada hauria de ser al pin 3 dels amplificadors operatius de la primera etapa del circuit. La sortida de l'amplificador, provinent del pin 6 de l'amplificador operacional de la segona etapa, es mostra al canal 1 de l'oscil·loscopi i es mesura i registra el voltatge de pic a pic. Per tal de garantir que l'amplificador d'instrumentació tingui un guany d'almenys 1000 V / V, el voltatge de pic a pic ha de ser com a mínim de 12,7 V.

Pas 3: creeu un filtre de tall i proveu-lo

Es necessita el filtre de graella per eliminar el soroll de 60 Hz de la biosignal. A més d’aquest requisit, perquè aquest filtre no necessita incloure cap altra amplificació, el factor de qualitat s’estableix en 1. Igual que amb l’amplificador d’instrumentació, primer vam determinar els valors de R1, R2, R3 i C mitjançant el disseny següent equacions per a un filtre de ranura: R1 = 1 / (2Q⍵0C)

R2 = 2Q / (⍵0C)

R3 = R1R / (2R1 + R2)

Q = ⍵0 / β

β = ⍵c2 -⍵c1

On Q = factor de qualitat

⍵0 = 2πf0 = freqüència central en rad / seg

f0 = freqüència central en Hz

β = amplada de banda en rad / seg

⍵c1, ⍵c2 = freqüències de tall (rad / seg)

Vam triar arbitràriament un valor de C, en aquest cas era de 0,15 µF i, posteriorment, es va resoldre el valor de R1. Connectant els valors anteriors llistats del factor de qualitat, freqüència central i capacitat, obtenim:

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

Com s'ha esmentat anteriorment quan es parla del disseny de l'amplificador d'instrumentació, encara és important assegurar-se que en resoldre les resistències que es troben en el rang de kOhm, no es faci cap dany al circuit. Si en resoldre les resistències, una és massa petita, s’hauria d’alterar un valor, com ara la capacitat, per assegurar-se que això no es produeixi. De manera similar a la resolució de l'equació de R1, R2 i R3 es pot resoldre:

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

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

A més, resoleu l’amplada de banda per tenir-lo com a valor teòric per comparar-lo amb el valor experimental més endavant:

1 = (2π60) / β⇒β = 47,12 rad / seg

Un cop hàgiu conegut els valors de resistència, creeu un circuit a la placa.

Només s’ha de provar aquesta etapa del circuit en aquest punt, de manera que no s’hauria de connectar a l’amplificador d’instrumentació. La font d’alimentació CC Agilent E3631A s’utilitza per alimentar l’amplificador operatiu amb una sortida de +15 V i -15 V que va als pins 4 i 7. El generador de funcions està configurat per generar una forma d’ona sinusoïdal amb una freqüència inicial de 10 Hz, una Vpp d'1 V i un desplaçament de 0 V. L'entrada positiva s'ha de connectar a R1 i l'entrada negativa s'ha de connectar a terra. L'entrada també s'hauria de connectar al canal 1 de l'oscil·loscopi. La sortida del filtre de graella, provinent del pin 6 de l'amplificador operacional, es mostra al canal 2 de l'oscil·loscopi. Es mesura i registra un escombrat de CA variant la freqüència de 10 Hz a 100 Hz. La freqüència es pot augmentar en increments de 10 Hz fins arribar a una freqüència de 50. A continuació, s’utilitzen increments de 2 Hz fins a 59 Hz. Un cop assolits els 59 Hz, s’han de prendre increments de 0,1 Hz. Després, quan s’assoleixen els 60 Hz, els increments es poden tornar a augmentar. S'ha de registrar la relació Vout / Vin i l'angle de fase. Si la relació Vout / Vin no és inferior o igual a -20 dB a 60 Hz, els valors de resistència s’han d’alterar per garantir aquesta relació. A partir d’aquestes dades es construeix un gràfic de resposta de freqüència i de resposta de fase. La resposta en freqüència hauria de ser semblant a la gràfica, cosa que demostra que s’eliminen les freqüències al voltant dels 60Hz, que és el que voleu.

Pas 4: creeu un filtre de pas baix i proveu-lo

La freqüència de tall del filtre de pas baix es determina com a 150 Hz. Aquest valor s’ha escollit perquè voleu conservar totes les freqüències presents a l’ECG mentre elimineu l’excés de soroll, que es troba específicament a freqüències més altes. La freqüència de l’ona T es troba entre 0-10 Hz, l’ona P entre 5-30 Hz i el complex QRS entre 8-50 Hz. No obstant això, la conducció ventricular anormal es caracteritza per freqüències més altes, normalment per sobre dels 70 Hz. Per tant, es va triar 150 Hz com a freqüència de tall per assegurar-nos que podem capturar totes les freqüències, fins i tot les freqüències més altes, mentre que tallem el soroll d’alta freqüència. A més de la freqüència de tall de 150 Hz, el factor de qualitat, K, s’estableix a 1 perquè no cal amplificació addicional. Primer vam determinar els valors de R1, R2, R3, R4, C1 i C2 utilitzant les equacions de disseny següents per a un filtre de pas baix:

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

R2 = 1 / [bC1C2R1⍵c ^ 2]

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

R4 = K (R1 + R2)

C2 aproximadament 10 / fc uF

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

On K = guany

⍵c = freqüència de tall (rad / seg)

fc = freqüència de tall (Hz)

a = coeficient de filtre = 1.414214

b = coeficient de filtre = 1

Com que el guany és 1, R3 és substituït per un circuit obert i R4 és substituït per un curtcircuit que el converteix en un seguidor de tensió. Per tant, aquests valors no s’han de resoldre. Primer vam resoldre el valor de C2. Connectant els valors anteriors a aquesta equació, obtenim:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Llavors, C1 es pot resoldre utilitzant el valor de C2.

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

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

Un cop resolts els valors de capacitat, R1 i R2 es poden calcular de la següent manera:

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

Amb les resistències adequades, construïu el circuit que es veu al diagrama del circuit.

Aquesta és l'última etapa del disseny general i s'hauria de construir a la placa directament a l'esquerra del filtre de graella amb la sortida del filtre de graella i la tensió d'entrada del filtre de pas baix. Aquest circuit s'ha de construir utilitzant la mateixa placa de control que anteriorment, amb les resistències i capacitats calculades correctament, i un amplificador operacional. Un cop construït el circuit mitjançant el diagrama de circuits de la figura 3, es prova. Només s’ha de provar aquesta etapa en aquest moment, de manera que no s’hauria de connectar ni a l’amplificador d’instrumentació ni al filtre de graella. Per tant, la font d’alimentació CC Agilent E3631A s’utilitza per alimentar l’amplificador operatiu amb una sortida de +15 i -15 V que va als pins 4 i 7. El generador de funcions està configurat per generar una forma d’ona sinusoïdal amb una freqüència inicial de 10 Hz, un Vpp d’1 V i un desplaçament de 0 V. L’entrada positiva s’ha de connectar a R1 i l’entrada negativa s’ha de connectar a terra. L'entrada també s'hauria de connectar al canal 1 de l'oscil·loscopi. La sortida del filtre de tac, provinent del pin 6 de l'amplificador operacional es mostra al canal 2 de l'oscil·loscopi. Es mesura i registra un escombrat de CA variant la freqüència de 10 Hz a 300 Hz. La freqüència es pot augmentar en increments de 10 Hz fins arribar a la freqüència de tall de 150 Hz. Després, la freqüència s’ha d’augmentar en 5 Hz fins arribar als 250 Hz. Es poden utilitzar increments majors de 10 Hz per acabar l'escombrat. Es registra la relació Vout / Vin i l’angle de fase. Si la freqüència de tall no és de 150 Hz, els valors de resistència s’han d’alterar per assegurar que aquest valor és de fet la freqüència de tall. El gràfic de resposta en freqüència hauria de semblar a la imatge on es pot veure que la freqüència de tall ronda els 150Hz.

Pas 5: combina els 3 components i simula l’electrocardiograma (ECG)

Connecteu les tres etapes afegint un cable entre l'últim component del circuit del component anterior al començament del component següent. El circuit complet es veu al diagrama.

Mitjançant el generador de funcions, simuleu un altre senyal d’ECG per Si els components es van construir i connectar amb èxit, la vostra sortida a l’oscil·loscopi hauria de ser semblant a la de la imatge.

Pas 6: configureu el tauler DAQ

A sobre es pot veure el tauler DAQ. Connecteu-lo a la part posterior de l'ordinador per engegar-lo i col·loqueu l'entrada analògica aïllada al canal 8 de la placa (ACH 0/8). Introduïu dos cables als orificis etiquetats com a '1' i '2' de l'entrada analògica aïllada. Configureu el generador de funcions per generar un senyal d’ECG d’1 Hz amb una Vpp de 500 mV i un desplaçament de 0V. Connecteu la sortida del generador de funcions als cables situats a l'entrada analògica aïllada.

Pas 7: obriu LabView, creeu un projecte nou i configureu l'Assistent DAQ

Obriu el programari LabView i creeu un projecte nou i obriu un VI nou al menú desplegable de fitxers. Feu clic amb el botó dret a la pàgina per obrir una finestra de components. Cerqueu "DAQ Assistant Input" i arrossegueu-lo a la pantalla. Això obrirà automàticament la primera finestra.

Seleccioneu Adquirir senyals> Entrada analògica> Voltatge. Això obrirà la segona finestra.

Seleccioneu ai8 perquè poseu la vostra entrada analògica aïllada al canal 8. Seleccioneu Finalitza per desplegar l'última finestra.

Canvieu el mode d’adquisició per mostres contínues, les mostres per llegir a 2 k i la velocitat a 1 kHz. A continuació, seleccioneu Executa a la part superior de la finestra i apareixerà una sortida com la que es mostra més amunt. Si el senyal ECG està invertit, simplement canvieu les connexions del generador de funcions a la placa DAQ. Això demostra que està adquirint amb èxit un senyal d’ECG. (Sí!) Ara cal codificar-lo per analitzar-lo.

Pas 8: Codi LabView per analitzar components del senyal ECG i calcular els batecs del cor

Utilitzeu els símbols de la imatge a LabView

Ja heu col·locat l'Assistent DAQ. L'Assistent DAQ pren el senyal d'entrada, que és un senyal de voltatge analògic, simulat per un generador de funcions o rebut directament d'una persona connectada als elèctrodes col·locats adequadament. Després pren aquest senyal i el fa passar per un convertidor A / D amb mostreig continu i paràmetres de 2000 mostres per llegir, una freqüència de mostreig d’1 kHz i amb valors de tensió màxima i mínima de 10V i -10V respectivament. Aquest senyal adquirit es publica després en un gràfic perquè es pugui veure visualment. També pren aquesta forma d'ona convertida i n'afegeix 5, per assegurar-se que representa un desplaçament negatiu i es multiplica per 200 per fer els pics més diferents, més grans i més fàcils d'analitzar. A continuació, determina el valor màxim i mínim de la forma d'ona dins de la finestra donada de 2,5 segons a través de l'operand màx / min. El valor màxim calculat s’ha de multiplicar per un percentatge que es pugui canviar, però normalment és del 90% (0,9). A continuació, aquest valor s'afegeix al valor mínim i s'envia a l'operant de detecció de pics com a llindar. Com a resultat, cada punt del gràfic de forma d'ona que supera aquest llindar es defineix com a pic i es guarda com una matriu de pics a l'operador del detector de pics. Aquesta matriu de pics s'envia a dues funcions diferents. Una d’aquestes funcions rep tant la matriu de pic com la sortida de la forma d’ona per l’operador de valor màxim. Dins d'aquesta funció, dt, aquestes dues entrades es converteixen en un valor de temps per a cadascun dels pics. La segona funció consisteix en dos operadors d'índex que prenen les sortides d'ubicació de la funció de detecció de pics i les indexen per separat per obtenir les ubicacions del 0n pic i del 1er pic. La diferència entre aquestes dues ubicacions es calcula per l’operador menys i després es multiplica pels valors de temps obtinguts de la funció dt. Això genera el període, o el temps entre dos pics en segons. Per definició, 60 dividits pel període dóna BPM. Aquest valor s'executa a través d'un operand absolut per assegurar-se que la sortida sempre és positiva i que després s'arrodoneix al nombre enter més proper. Aquest és l'últim pas per calcular i finalment enviar la freqüència cardíaca a la mateixa pantalla que la sortida de la forma d'ona. Al final, això és el que hauria de ser el diagrama de blocs com la primera imatge.

Després de completar el diagrama de blocs, si executeu el programa, hauríeu d'obtenir la sortida de la imatge.

Pas 9: combineu el circuit i els components LabView i connecteu-vos a una persona real

Ara per la part divertida! Combinant el vostre bonic circuit i el programa LabView per adquirir un ECG real i calcular-ne la freqüència cardíaca. Per modificar el circuit perquè compleixi amb un ésser humà i produir un senyal viable, el guany de l'amplificador d'instrumentació s'ha de reduir a un guany de 100. Això es deu al fet que quan es connecta a una persona, hi ha un desplaçament que a continuació, satura l'amplificador operacional. Si reduïu el guany, això reduirà aquest problema. En primer lloc, el guany de la primera etapa de l'amplificador d'instrumentació s'altera fins a obtenir un guany de 4 de manera que el guany global sigui 100. Després, utilitzant l'equació 1, R2 es posa a 19,5 kΩ i R1 es troba de la següent manera:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 kΩ A continuació, l'amplificador d'instrumentació es modifica canviant la resistència de R1 a 13 kΩ tal com es mostra al pas 2 a la placa de configuració anterior. Tot el circuit està connectat i es pot provar el circuit mitjançant LabView. La font d’alimentació CC Agilent E3631A alimenta els amplificadors operatius amb una sortida de +15 V i -15 V que van als pins 4 i 7. Els elèctrodes ECG estan connectats al subjecte amb el cable positiu (G1) que va al turmell esquerre, plom negatiu (G2) que va cap al canell dret i el terra (COM) cap al turmell dret. L’entrada humana hauria de ser al pin 3 dels amplificadors operatius a la primera etapa del circuit amb el cable positiu connectat al pin 3 del primer amplificador operatiu i el cable negatiu connectat al pin 3 del segon amplificador operacional. La terra es connecta a la terra de la placa. La sortida de l'amplificador, provinent del pin 6 del filtre de pas baix, està connectada a la placa DAQ. Assegureu-vos que estigueu molt quiets i silenciosos i que obtindreu una sortida a LabView que sembli similar a la de la imatge.

Aquest senyal és òbviament molt més sorollós que el senyal perfecte simulat pel generador de funcions. Com a resultat, la freqüència cardíaca saltarà molt, però hauria de fluctuar amb un interval de 60-90 BPM. I aquí ho teniu! Una manera divertida de mesurar la nostra pròpia freqüència cardíaca mitjançant la creació d’un circuit i la codificació d’alguns programes.