ECG و رابط کاربری مجازی ضربان قلب: 9 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:57

برای این دستورالعمل ، ما به شما نحوه ایجاد یک مدار برای دریافت ضربان قلب و نمایش آن بر روی رابط کاربری مجازی (VUI) با خروجی گرافیکی ضربان قلب و ضربان قلب خود را نشان می دهیم. این امر نیاز به ترکیبی نسبتاً ساده از اجزای مدار و نرم افزار LabView برای تجزیه و تحلیل و خروجی داده ها دارد. این دستگاه پزشکی نیست. این فقط برای اهداف آموزشی با استفاده از سیگنال های شبیه سازی شده است. اگر از این مدار برای اندازه گیری ECG واقعی استفاده می کنید ، لطفاً اطمینان حاصل کنید که مدار و اتصالات مدار به ابزار از تکنیک های جداسازی مناسب استفاده می کنند.

مواد

جریان:

• Breadboard:
• مقاومت ها:
• خازن ها:
• Op Amps:
• سیمهای مدار (شامل پیوند Breadboard)
• گیره تمساح
• آکورد موز
• منبع تغذیه Agilent E3631A DC
• ژنراتور عملکرد
• اسیلوسکوپ

LabView:

• نرم افزار LabView
• برد DAQ
• سیمهای مدار
• ورودی آنالوگ جدا شده
• مولد عملکرد

مرحله 1: تعیین کنید که از کدام فیلترها و تقویت کننده ها استفاده کنید

به منظور نمایش سیگنال ECG ، سه مرحله مختلف مدار طراحی و اجرا شد: تقویت کننده ابزار دقیق ، فیلتر ناچ و فیلتر کم گذر. تقویت کننده ابزار سیگنال را تقویت می کند ، زیرا هنگامی که از یک موضوع دریافت می شود اغلب بسیار کوچک است و مشاهده و تجزیه و تحلیل آن دشوار است. فیلتر ناچ برای حذف نویز در 60 هرتز استفاده می شود زیرا سیگنال ECG حاوی سیگنالهای 60 هرتز نیست. در نهایت فیلتر کم گذر فرکانس های بالاتر را برای حذف نویز از سیگنال حذف می کند و در ترکیب با فیلتر ناچ فقط فرکانس هایی را که در سیگنال نوار قلب نشان داده می شوند ، مجاز می کند.

مرحله 2: تقویت کننده ابزار را بسازید و آن را آزمایش کنید

تقویت کننده نیاز به افزایش 1000 V/V دارد و همانطور که مشاهده می شود ، تقویت کننده از دو مرحله تشکیل شده است. بنابراین ، سود باید به طور مساوی بین دو مرحله توزیع شود ، با K1 سود مرحله اول و K2 سود مرحله دوم. ما K1 را 40 و K2 25 می دانیم. این مقادیر قابل قبول هستند زیرا با ضرب در یکدیگر ، افزایش 1000 V/V ، 40 25 25 = 1000 بدست می آید و مقدار قابل مقایسه ای با واریانس 15 ولت/ولت با استفاده از این مقادیر برای افزایش ، مقاومت های مناسب را می توان محاسبه کرد. برای این محاسبات از معادلات زیر استفاده می شود:

مرحله 1 سود: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

مرحله 2 افزایش: K2 = -R4R3 (2)

ما مقدار دلخواه R1 را انتخاب کردیم ، در این حالت 1 کیلو وات بود و سپس مقدار R2 را حل کردیم. با وارد کردن مقادیر قبلی به معادله برای مرحله 1 ، بدست می آوریم:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19 ، 500 Ω

این مهم است که اطمینان حاصل شود که هنگام انتخاب مقاومت ها ، آنها در محدوده kOhm قرار می گیرند ، زیرا قاعده کلی این است که هرچه مقاومت بزرگتر باشد ، قدرت بیشتری می تواند بدون خطر آسیب ببیند. اگر مقاومت بسیار کوچک باشد و جریان بسیار زیاد باشد ، مقاومت آسیب می بیند و علاوه بر این خود مدار قادر به عملکرد نخواهد بود. به دنبال همان پروتکل برای مرحله 2 ، ما مقدار دلخواه R3 ، 1 کیلووات را انتخاب کردیم و سپس برای R4 حل کردیم. با وارد کردن مقادیر قبلی به معادله برای مرحله 2 ، بدست می آوریم: 25 = -R4*1000 ⇒R4 = 25000 Ω

علامت منفی نفی می شود زیرا مقاومت ها نمی توانند منفی باشند. پس از به دست آوردن این مقادیر ، مدار زیر را در تصویر بسازید. سپس آن را آزمایش کنید!

منبع تغذیه DC Agilent E3631A تقویت کننده های عملیاتی را با خروجی +15 ولت و -15 ولت به پین 4 و 7 تنظیم می کند. ژنراتور عملکرد را طوری تنظیم کنید که شکل موج قلب با فرکانس 1 کیلوهرتز ، Vpp 12.7 میلی ولت را تولید کند. و یک افست 0 ولت. این ورودی باید به پین 3 تقویت کننده های عملیاتی در مرحله اول مدار باشد. خروجی تقویت کننده ، که از پین 6 تقویت کننده عملیاتی مرحله دوم می آید ، در کانال 1 اسیلوسکوپ نمایش داده می شود و ولتاژ پیک به پیک اندازه گیری و ثبت می شود. برای اطمینان از اینکه تقویت کننده ابزار دقیقاً 1000 ولت/ولت افزایش دارد ، ولتاژ پیک تا پیک باید حداقل 12.7 ولت باشد.

مرحله 3: فیلتر Notch بسازید و آن را آزمایش کنید

فیلتر ناچ برای حذف نویز 60 هرتز از بیوسیگنال مورد نیاز است. علاوه بر این نیاز ، زیرا این فیلتر نیازی به تقویت دیگر ندارد ، ضریب کیفیت روی 1 تنظیم شده است. مانند تقویت کننده ابزار دقیق ، ابتدا مقادیر R1 ، R2 ، R3 و C را با استفاده از طرح زیر تعیین کردیم. معادلات فیلتر ناچ: R1 = 1/(2Q⍵0C)

R2 = 2Q/(⍵0C)

R3 = R1R/(2R1 + R2)

Q = -0/β

β = ⍵c2 -⍵c1

جایی که Q = ضریب کیفیت

⍵0 = 2πf0 = فرکانس مرکز در rad/sec

f0 = فرکانس مرکز بر هرتز

β = پهنای باند در rad/sec

⍵c1 ، ⍵c2 = فرکانس قطع (rad/sec)

ما مقدار دلخواه C را انتخاب کردیم ، در این حالت 0.15 µF بود ، و سپس مقدار R1 را حل کردیم. با افزودن مقادیر قبلی ذکر شده از ضریب کیفیت ، فرکانس مرکز و ظرفیت ، بدست می آوریم:

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

همانطور که در بالا ذکر شد هنگام بحث در مورد طراحی تقویت کننده ابزار دقیق ، هنوز هم مهم است که مطمئن شویم که هنگام حل مقاومت ها در محدوده کیلو اهم هستند ، بنابراین هیچ آسیبی به مدار وارد نمی شود. اگر هنگام حل مقاومتها ، یکی بسیار کوچک باشد ، باید مقداری مانند ظرفیت تغییر داده شود تا اطمینان حاصل شود که این اتفاق نمی افتد. به طور مشابه برای حل معادله برای R1 ، R2 و R3 می توان حل کرد:

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

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

علاوه بر این ، پهنای باند را حل کنید تا بعنوان یک ارزش نظری برای مقایسه با مقدار تجربی بعداً وجود داشته باشد:

1 = (2π60)/β⇒β = 47.12 rad/sec

هنگامی که می دانید مقادیر مقاومت روی تخته نان مدار ایجاد می کند.

فقط این مرحله از مدار باید در این مرحله آزمایش شود ، بنابراین نباید به تقویت کننده ابزار وصل شود. منبع تغذیه DC Agilent E3631A برای تغذیه تقویت کننده عملیاتی با خروجی +15 ولت و -15 ولت به پین 4 و 7 استفاده می شود. ژنراتور عملکرد تنظیم شده است تا شکل موج سینوسی با فرکانس اولیه 10 هرتز ، a را تولید کند. Vpp 1 ولت ، و یک ولتاژ 0 V. ورودی مثبت باید به R1 و ورودی منفی باید به زمین متصل شود. ورودی نیز باید به کانال 1 اسیلوسکوپ متصل شود. خروجی فیلتر ناچ که از پین 6 تقویت کننده عملیاتی می آید در کانال 2 اسیلوسکوپ نمایش داده می شود. رفت و برگشت AC با تغییر فرکانس از 10 هرتز تا 100 هرتز اندازه گیری و ثبت می شود. فرکانس را می توان با افزایش 10 هرتز تا رسیدن به فرکانس 50 افزایش داد. سپس از افزایش 2 هرتز تا 59 هرتز استفاده می شود. پس از رسیدن به 59 هرتز ، افزایش 0.1 هرتز باید انجام شود. سپس ، پس از رسیدن به 60 هرتز ، افزایش ها را می توان یکبار دیگر افزایش داد. نسبت Vout/Vin و زاویه فاز باید ثبت شود. اگر نسبت Vout/Vin کمتر از 20 دسی بل در 60 هرتز یا مساوی آن نباشد ، برای اطمینان از این نسبت باید مقادیر مقاومت را تغییر داد. سپس یک نمودار پاسخ فرکانسی و یک نمودار پاسخ فاز از این داده ها ساخته می شود. پاسخ فرکانسی باید در نمودار مشابه باشد ، که ثابت می کند فرکانس های حدود 60 هرتز حذف شده اند ، این همان چیزی است که شما می خواهید!

مرحله 4: فیلتر کم گذر بسازید و آن را آزمایش کنید

فرکانس قطع فیلتر کم گذر 150 هرتز تعیین می شود. این مقدار به این دلیل انتخاب شده است که می خواهید تمام فرکانس های موجود در نوار قلب را در حالی که نویز اضافی را حذف می کنید ، حفظ کنید ، مخصوصاً در فرکانس های بالاتر. فرکانس موج T در محدوده 0-10 هرتز ، موج P در محدوده 5-30 هرتز و مجموعه QRS در محدوده 8-50 هرتز قرار دارد. با این حال ، هدایت غیرطبیعی بطن با فرکانس های بالاتر ، معمولاً بالای 70 هرتز مشخص می شود. بنابراین ، 150 هرتز به عنوان فرکانس قطع انتخاب شد تا اطمینان حاصل شود که می توانیم همه فرکانس ها ، حتی فرکانس های بالاتر را ضبط کنیم ، در حالی که نویز فرکانس بالا را قطع می کنیم. علاوه بر فرکانس قطع 150 هرتز ، ضریب کیفیت ، K ، روی 1 تنظیم شده است ، زیرا نیازی به تقویت بیشتر نیست. ابتدا مقادیر R1 ، R2 ، R3 ، R4 ، C1 و C2 را با استفاده از معادلات طراحی زیر برای فیلتر کم گذر تعیین کردیم:

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

R2 = 1/[bC1C2R1⍵c^2]

R3 = K (R1+ R2)/(K -1) وقتی K> 1

R4 = K (R1+R2)

C2 حدود 10/fc uF

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

جایی که K = سود

⍵c = فرکانس قطع (rad/sec)

fc = فرکانس قطع (هرتز)

a = ضریب فیلتر = 1.414214

b = ضریب فیلتر = 1

از آنجا که افزایش 1 است ، R3 با یک مدار باز و R4is با یک اتصال کوتاه جایگزین می شود که باعث می شود دنبال کننده ولتاژ باشد. بنابراین ، این مقادیر نیازی به حل ندارند. ابتدا مقدار C2 را حل کردیم. با وارد کردن مقادیر قبلی در آن معادله ، بدست می آوریم:

C2 = 10/150 uF = 0.047 uF

سپس ، C1 را می توان با استفاده از مقدار C2 حل کرد.

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

C1 <0.024 uF = 0.022 uF

پس از حل مقادیر خازنی ، R1 و R2 را می توان به شرح زیر محاسبه کرد:

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

با مقاومت های مناسب ، مدار را که در نمودار مدار دیده می شود ، بسازید.

این آخرین مرحله از طراحی کلی است و باید روی تخته نان درست در سمت چپ فیلتر ناچ با خروجی فیلتر ناچ و ولتاژ ورودی فیلتر کم گذر ساخته شود. این مدار قرار است با استفاده از همان ورق نان قبلی ، با مقاومت ها و ظرفیت های محاسبه شده درست و یک تقویت کننده عملیاتی ساخته شود. هنگامی که مدار با استفاده از نمودار مدار در شکل 3 ساخته شد ، آزمایش می شود. فقط این مرحله باید در این مرحله آزمایش شود ، بنابراین نباید به تقویت کننده ابزار یا فیلتر ناچ متصل شود. بنابراین ، منبع تغذیه Agilent E3631A DC برای تغذیه تقویت کننده عملیاتی با خروجی +15 و -15 ولت به پین 4 و 7 استفاده می شود. ژنراتور عملکرد تنظیم شده است تا یک شکل موج سینوسی با فرکانس اولیه 10 هرتز تولید کند ، یک Vpp 1 ولت ، و یک افست 0 ولت. ورودی مثبت باید به R1 و ورودی منفی باید به زمین متصل شود. ورودی نیز باید به کانال 1 اسیلوسکوپ متصل شود. خروجی فیلتر ناچ که از پین 6 تقویت کننده عملیاتی می آید در کانال 2 اسیلوسکوپ نمایش داده می شود. رفت و برگشت AC با تغییر فرکانس از 10 هرتز تا 300 هرتز اندازه گیری و ثبت می شود. فرکانس را می توان با افزایش 10 هرتز افزایش داد تا به فرکانس قطع 150 هرتز رسید. سپس ، فرکانس باید 5 هرتز افزایش یابد تا به 250 هرتز برسد. برای افزایش جارو می توان از افزایش بیشتر 10 هرتز استفاده کرد. نسبت Vout/Vin و زاویه فاز ثبت می شود. اگر فرکانس قطع 150 هرتز نباشد ، مقادیر مقاومت باید تغییر کند تا اطمینان حاصل شود که این مقدار در واقع فرکانس قطع است. نمودار پاسخ فرکانسی باید مانند تصویر باشد که در آن می توانید فرکانس قطع را در حدود 150 هرتز مشاهده کنید.

مرحله 5: ترکیب هر 3 جزء و شبیه سازی نوار قلب (ECG)

هر سه مرحله را با افزودن یک سیم بین آخرین جزء مدار قطعه قبلی به ابتدای جزء بعدی متصل کنید. مدار کامل در نمودار نشان داده شده است.

با استفاده از ژنراتور عملکرد ، سیگنال ECG دیگری را شبیه سازی کنید اگر قطعات با موفقیت ساخته شده و به هم متصل شوند ، خروجی شما در اسیلوسکوپ باید مانند تصویر باشد.

مرحله 6: تنظیم DAQ Board

بالای برد DAQ قابل مشاهده است. آن را به پشت کامپیوتر وصل کنید تا روشن شود و ورودی آنالوگ جدا شده را در کانال 8 برد (ACH 0/8) قرار دهید. دو سیم را داخل سوراخ هایی با برچسب "1" و "2" ورودی آنالوگ جدا شده قرار دهید. ژنراتور عملکرد را طوری تنظیم کنید که سیگنال ECG 1 هرتز با Vpp 500mV و افست 0 ولت را خروجی دهد. خروجی ژنراتور عملکرد را به سیمهایی که در ورودی آنالوگ جدا شده وصل شده است وصل کنید.

مرحله 7: LabView را باز کنید ، یک پروژه جدید ایجاد کنید و دستیار DAQ را راه اندازی کنید

نرم افزار LabView را باز کنید و یک پروژه جدید ایجاد کنید و یک VI جدید در زیر منوی کشویی فایل باز کنید. روی صفحه راست کلیک کنید تا پنجره کامپوننت باز شود. "DAQ Assistant Input" را جستجو کرده و آن را روی صفحه بکشید. این به طور خودکار اولین پنجره را بالا می آورد.

Acquire Signals> Analog Input> Voltage را انتخاب کنید. با این کار پنجره دوم بالا می آید.

ai8 را انتخاب کنید زیرا ورودی آنالوگ جدا شده خود را در کانال 8 قرار داده اید. Finish را انتخاب کنید تا آخرین پنجره بالا بیاید.

حالت Acquisition را به نمونه های پیوسته ، نمونه ها را به 2k و نرخ را به 1kHz تغییر دهید. سپس Run را در بالای پنجره خود انتخاب کنید و خروجی مانند آنچه در بالا مشاهده می شود باید ظاهر شود. اگر سیگنال ECG معکوس است ، به سادگی اتصالات را از ژنراتور عملکرد به برد DAQ در اطراف تغییر دهید. این نشان می دهد که شما با موفقیت سیگنال نوار قلب را دریافت می کنید! (بله!) حالا برای تجزیه و تحلیل آن باید کدگذاری کنید!

مرحله 8: کد LabView برای تجزیه و تحلیل اجزای سیگنال نوار قلب و محاسبه ضربان قلب

از نمادهای موجود در تصویر در LabView استفاده کنید

شما قبلاً دستیار DAQ را قرار داده اید. DAQ Assistant سیگنال ورودی را دریافت می کند که یک سیگنال ولتاژ آنالوگ است ، یا توسط ژنراتور عملکرد شبیه سازی شده یا مستقیماً از شخصی دریافت می شود که به الکترودهای مناسب وصل شده است. سپس این سیگنال را می گیرد و از طریق مبدل A/D با نمونه گیری مداوم و پارامترهای 2000 نمونه برای خواندن ، نرخ نمونه برداری 1 کیلوهرتز و حداکثر و حداقل ولتاژ به ترتیب 10 ولت و -10 ولت اجرا می کند. این سیگنال بدست آمده سپس بر روی یک نمودار خروجی می شود تا بتوان آن را بصری دید. همچنین از این شکل موج تبدیل شده استفاده می کند و 5 را اضافه می کند تا اطمینان حاصل شود که منفی است و سپس در 200 ضرب می شود تا قله ها متمایزتر ، بزرگتر و تجزیه و تحلیل آسان تر شوند. سپس مقدار حداکثر و حداقل شکل موج را در پنجره داده شده 2.5 ثانیه از طریق عملوند max/min تعیین می کند. حداکثر مقدار محاسبه شده باید در درصدی که قابل تغییر است ضرب شود اما معمولاً 90٪ (0.9) است. سپس این مقدار به مقدار min اضافه می شود و به عنوان آستانه به عملوند تشخیص پیک ارسال می شود. در نتیجه هر نقطه از نمودار شکل موج که از این آستانه فراتر رود ، به عنوان قله تعریف شده و به عنوان آرایه ای از قله ها در اپراتور آشکارساز قله ذخیره می شود. سپس این آرایه از قله ها به دو تابع مختلف ارسال می شود. یکی از این توابع هم آرایه پیک و هم خروجی شکل موج را توسط عملگر مقدار حداکثر دریافت می کند. در این تابع ، dt ، این دو ورودی به مقدار زمانی برای هر یک از قله ها تبدیل می شوند. تابع دوم شامل دو عملگر شاخص است که خروجی های مکان تابع تشخیص قله را گرفته و آنها را جداگانه نمایه می کند تا مکان های قله 0 و قله 1 را بدست آورند. تفاوت بین این دو مکان توسط عملگر منهای محاسبه می شود و سپس در مقادیر زمانی بدست آمده از تابع dt ضرب می شود. این دوره ، یا زمان بین دو قله را در ثانیه نشان می دهد. طبق تعریف ، 60 تقسیم بر دوره BPM می دهد. سپس این مقدار از طریق عملوند مطلق اجرا می شود تا مطمئن شوید خروجی همیشه مثبت است و سپس به نزدیکترین عدد کامل گرد می شود. این آخرین مرحله در محاسبه و در نهایت خروجی ضربان قلب بر روی همان صفحه خروجی شکل موج است. در نهایت این همان چیزی است که بلوک دیاگرام باید شبیه تصویر اول باشد.

پس از تکمیل نمودار بلوک ، اگر برنامه را اجرا می کنید ، باید خروجی تصویر را دریافت کنید.

مرحله 9: مدار و اجزای LabView را با هم ترکیب کرده و به یک شخص واقعی متصل شوید

حالا برای قسمت باحالش! ترکیب مدار زیبا و برنامه LabView برای بدست آوردن نوار قلب واقعی و محاسبه ضربان قلب آن. به منظور اصلاح مدار برای مطابقت با انسان و تولید یک سیگنال قابل اجرا ، افزایش تقویت کننده ابزار دقیق باید به 100 برسد. این به این دلیل است که هنگام اتصال به شخص ، یک افست وجود دارد که سپس تقویت کننده عملیاتی را اشباع می کند. با کاهش سود ، این مسئله کاهش می یابد. اول ، افزایش مرحله اول تقویت کننده ابزار دقیق به 4 افزایش می یابد به طوری که افزایش کلی 100 است. سپس ، با استفاده از معادله 1 ، R2 بر 19.5 کیلو وات تنظیم می شود و R1 به شرح زیر است:

4 = 1 + 2 (19 ، 500) R1⇒R1 = 13 کیلو وات ، سپس تقویت کننده ابزار با تغییر مقاومت R1 تا 13 کیلو وات همانطور که در مرحله 2 روی نانبرد قبلی ساخته شده است تغییر می کند. کل مدار متصل است و می توان مدار را با استفاده از LabView آزمایش کرد. منبع تغذیه DC Agilent E3631A تقویت کننده های عملیاتی را با خروجی +15 ولت و -15 ولت به پین 4 و 7 تغذیه می کند. الکترودهای نوار قلب به سوژه متصل شده و سربی مثبت (G1) به مچ پای چپ ، سرب منفی (G2) به مچ راست می رود و زمین (COM) به مچ پای راست می رود. ورودی انسان باید به پین 3 تقویت کننده های عملیاتی در مرحله اول مدار با سربی مثبت متصل به پایه 3 اولین تقویت کننده عملیاتی و سربی منفی متصل به پین 3 تقویت کننده عملیاتی دوم باشد. زمین به زمین تخته نان متصل می شود. خروجی تقویت کننده ، که از پین 6 فیلتر کم گذر می آید ، به برد DAQ متصل است. مطمئن باشید که بسیار ساکت و بی سر و صدا هستید و باید یک خروجی در LabView دریافت کنید که شبیه تصویر موجود در تصویر است.

این سیگنال بدیهی است که بسیار پر سر و صدا تر از سیگنال کامل شبیه سازی شده توسط ژنراتور عملکرد است. در نتیجه ضربان قلب شما بسیار زیاد می شود اما باید با دامنه 60-90 BPM در نوسان باشد. و آنجا شما آن را دارید! یک روش سرگرم کننده برای اندازه گیری ضربان قلب خود با ایجاد یک مدار و کد نویسی برخی از نرم افزارها!