EKG ve Nabız Sanal Kullanıcı Arayüzü: 9 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:21

Bu talimat için, kalp atışınızı almak ve bunu kalp atışınızın ve kalp atış hızınızın grafiksel çıktısı ile sanal bir kullanıcı arayüzünde (VUI) görüntülemek için bir devrenin nasıl oluşturulacağını göstereceğiz. Bu, verileri analiz etmek ve çıktı almak için devre bileşenlerinin ve LabView yazılımının nispeten basit bir kombinasyonunu gerektirir. Bu tıbbi bir cihaz değildir. Bu, yalnızca simüle edilmiş sinyallerin kullanıldığı eğitim amaçlıdır. Bu devreyi gerçek EKG ölçümleri için kullanıyorsanız, lütfen devrenin ve devre-enstrüman bağlantılarının uygun izolasyon tekniklerini kullandığından emin olun.

Malzemeler

Devre:

• Ekmek tahtası:
• Dirençler:
• Kondansatörler:
• Op Amper:
• Devre kabloları (Breadboard bağlantısına dahildir)
• Timsah klipsleri
• muz akorları
• Agilent E3631A DC Güç Kaynağı
• Fonksiyon üreticisi
• Osiloskop

Laboratuvar Görünümü:

• LabView yazılımı
• DAQ kurulu
• Devre telleri
• İzole Analog Giriş
• Fonksiyon üreticisi

1. Adım: Hangi Filtrelerin ve Amplifikatörlerin Kullanılacağını Belirleyin

Bir EKG sinyalini temsil etmek için devrenin üç farklı aşaması tasarlanmış ve uygulanmıştır: enstrümantasyon yükselticisi, çentik filtresi ve alçak geçiren filtre. Enstrümantasyon amplifikatörü, bir özneden alındığında genellikle çok küçük ve görülmesi ve analiz edilmesi zor olan sinyali yükseltir. Bir EKG sinyali 60 Hz'de sinyal içermediğinden, çentik filtresi 60 Hz'de gürültüyü gidermek için kullanılır. Son olarak, alçak geçiren filtre, sinyalden gürültüyü gidermek için daha yüksek frekansları kaldırır ve çentik filtresiyle birlikte yalnızca bir EKG sinyalinde temsil edilen frekanslara izin verir.

Adım 2: Enstrümantasyon Amplifikatörü Oluşturun ve Test Edin

Amplifikatörün kazancının 1000 V/V olması istenmektedir ve görüldüğü gibi amplifikatör iki aşamadan oluşmaktadır. Bu nedenle, kazanç iki aşama arasında eşit olarak dağıtılmalıdır, K1 birinci aşamanın kazancı ve K2 ikinci aşamanın kazancıdır. K1'i 40 ve K2'yi 25 olarak belirledik. Bunlar birbiriyle çarpıldığında 1000 V/V kazanç elde edilmesi, 40 x 25 = 1000 olması ve karşılaştırılabilir miktarda olması nedeniyle kabul edilebilir değerlerdir. 15 V/V varyansı. Kazanç için bu değerleri kullanarak uygun dirençler hesaplanabilir. Bu hesaplamalar için aşağıdaki denklemler kullanılır:

Aşama 1 Kazanç: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Aşama 2 Kazancı: K2 = -R4R3 (2)

Rastgele bir R1 değeri seçtik, bu durumda 1 kΩ idi ve ardından R2 değeri için çözdük. Bu önceki değerleri 1. aşama kazancı denklemine dahil ederek şunu elde ederiz:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Dirençleri seçerken, kOhm aralığında olduklarından emin olmak önemlidir, çünkü direnç ne kadar büyükse, o kadar fazla güç zarar görmeden güvenli bir şekilde dağılabilir. Direnç çok küçükse ve çok büyük bir akım varsa, direnç zarar görecek ve ayrıca devrenin kendisi çalışamayacaktır. Aşama 2 için aynı protokolü izleyerek, keyfi olarak R3, 1 kΩ değerini seçtik ve ardından R4 için çözdük. Aşama 2 kazancı denklemine önceki değerleri ekleyerek şunu elde ederiz: 25 = -R4*1000 ⇒R4= 25000 Ω

Dirençler negatif olamayacağından negatif işaret reddedilir. Bu değerlere sahip olduğunuzda aşağıdaki resimdeki devreyi kurunuz. O zaman test et!

Agilent E3631A DC Güç Kaynağı, +15 V ve -15 V çıkış ile pin 4 ve 7'ye giden işlemsel yükselteçlere güç sağlar. Fonksiyon jeneratörünü 1 kHz frekans, 12.7 mV Vpp, ve 0 V'luk bir ofset. Bu giriş, devrenin ilk aşamasında işlemsel yükselteçlerin pin 3'üne olmalıdır. İkinci aşamanın işlemsel yükselticisinin 6 numaralı piminden gelen yükselticinin çıkışı, osiloskopun 1. kanalında görüntülenir ve tepeden tepeye voltaj ölçülür ve kaydedilir. Enstrümantasyon amplifikatörünün en az 1000 V/V kazancı olmasını sağlamak için tepeden tepeye voltaj en az 12,7 V olmalıdır.

3. Adım: Notch Filtresi Oluşturun ve Test Edin

Biyosinyalden 60 Hz gürültüyü gidermek için çentik filtresi gereklidir. Bu gerekliliğe ek olarak, bu filtrenin başka bir amplifikasyon içermesi gerekmediğinden kalite faktörü 1'e ayarlanır. Enstrümantasyon amplifikatöründe olduğu gibi, önce aşağıdaki tasarımı kullanarak R1, R2, R3 ve C değerlerini belirledik. bir çentik filtresi için denklemler:R1= 1/(2Q⍵0C)

R2= 2Q/(⍵0C)

R3= R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β= ⍵c2 -⍵c1

Q = kalite faktörü nerede

⍵0= 2πf0= rad/sn cinsinden merkez frekansı

f0= Hz cinsinden merkez frekansı

β = rad/sn cinsinden bant genişliği

⍵c1, ⍵c2= kesme frekansları (rad/sn)

Rastgele bir C değeri seçtik, bu durumda 0,15 µF idi ve ardından R1 değeri için çözdük. Kalite faktörü, merkez frekansı ve kapasitans için listelenen önceki değerleri takarak şunları elde ederiz:

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

Enstrümantasyon amplifikatörünün tasarımı tartışılırken yukarıda bahsedildiği gibi, dirençleri kOhm aralığında çözerken devreye zarar gelmemesi için hala önemlidir. Dirençleri çözerken, çok küçükse, bunun olmamasını sağlamak için kapasitans gibi bir değer değiştirilmelidir. R1, R2 ve R3 denklemini çözmeye benzer şekilde çözülebilir:

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

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

Ek olarak, daha sonra deneysel değerle karşılaştırmak üzere teorik bir değer olarak elde etmek için bant genişliğini çözün:

1 = (2π60)/β⇒β = 47.12 rad/sn

Direnç değerlerini öğrendikten sonra devre tahtasında devre oluşturun.

Bu noktada devrenin sadece bu aşaması test edilecektir, bu nedenle enstrümantasyon amplifikatörüne bağlanmamalıdır. Agilent E3631A DC Güç Kaynağı, işlemsel yükselticiye +15 V ve -15 V çıkışla pin 4 ve 7'ye güç sağlamak için kullanılır. Vpp 1 V ve ofset 0 V. Pozitif giriş R1'e, negatif giriş ise toprağa bağlanmalıdır. Giriş ayrıca osiloskopun 1. kanalına da bağlanmalıdır. İşlemsel yükselticinin 6. pininden gelen çentik filtresinin çıkışı osiloskopun 2. kanalında görüntülenir. Bir AC taraması, frekans 10 Hz ile 100 Hz arasında değiştirilerek ölçülür ve kaydedilir. Frekans, 50'lik bir frekansa ulaşana kadar 10 Hz'lik artışlarla artırılabilir. Daha sonra 59 Hz'e kadar 2 Hz'lik artışlar kullanılır. 59 Hz'e ulaşıldığında 0,1 Hz'lik artışlar yapılmalıdır. Ardından 60 Hz'e ulaşıldıktan sonra artışlar tekrar artırılabilir. Vout/Vin oranı ve faz açısı kaydedilecektir. Vout/Vin oranı 60 Hz'de -20 dB'ye eşit veya daha az değilse, bu oranı sağlamak için direnç değerlerinin değiştirilmesi gerekir. Daha sonra bu verilerden bir frekans tepkisi grafiği ve faz tepkisi grafiği oluşturulur. Frekans yanıtı, 60Hz civarındaki frekansların kaldırıldığını kanıtlayan grafikteki gibi görünmelidir, istediğiniz bu!

Adım 4: Düşük Geçişli Filtre Oluşturun ve Test Edin

Alçak geçiren filtrenin kesim frekansı 150 Hz olarak belirlenmiştir. Bu değer, özellikle yüksek frekanslarda bulunan aşırı gürültüyü ortadan kaldırırken EKG'de bulunan tüm frekansları korumak istediğiniz için seçilmiştir. T dalgasının frekansı 0-10 Hz aralığında, P dalgası 5-30 Hz aralığında ve QRS kompleksi 8-50 Hz aralığındadır. Bununla birlikte, anormal ventriküler iletim, tipik olarak 70 Hz'in üzerinde olan daha yüksek frekanslarla karakterize edilir. Bu nedenle, yüksek frekanslı gürültüyü keserken tüm frekansları, hatta daha yüksek frekansları bile yakalayabilmemiz için kesim frekansı olarak 150 Hz seçilmiştir. 150 Hz kesme frekansına ek olarak, daha fazla amplifikasyon gerekmediğinden kalite faktörü K, 1'e ayarlanır. Alçak geçiren bir filtre için ilk olarak aşağıdaki tasarım denklemlerini kullanarak R1, R2, R3, R4, C1 ve C2 değerlerini belirledik:

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

R2= 1/[bC1C2R1⍵c^2]

K > 1 olduğunda R3= K(R1+ R2)/(K -1)

R4= K(R1+R2)

C2 yaklaşık 10/fc uF

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

K = kazanç

⍵c= kesme frekansı (rad/sn)

fc= kesme frekansı (Hz)

a = filtre katsayısı = 1.414214

b = filtre katsayısı = 1

Kazanç 1 olduğundan, R3 bir açık devre ile değiştirilir ve R4 bir kısa devre ile değiştirilir ve bu da onu bir voltaj takipçisi yapar. Bu nedenle, bu değerlerin çözülmesi gerekmez. Önce C2 değerini çözdük. Bu denkleme önceki değerleri ekleyerek şunu elde ederiz:

C2 = 10/150 uF=0.047 uF

Daha sonra C1, C2 değeri kullanılarak çözülebilir.

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

C1 < 0.024 uF= 0.022 uF

Kapasitans değerleri çözüldükten sonra, R1 ve R2 aşağıdaki gibi hesaplanabilir:

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

Doğru dirençlerle devre şemasında görülen devreyi kurun.

Bu, genel tasarımın son aşamasıdır ve çentik filtresinin çıkışı ve alçak geçiren filtrenin giriş voltajı ile doğrudan notch filtresinin solundaki devre tahtası üzerine kurulmalıdır. Bu devre, doğru hesaplanmış dirençler ve kapasitanslar ve bir işlemsel yükseltici ile daha önce olduğu gibi aynı devre tahtası kullanılarak oluşturulacaktır. Şekil 3'teki devre şeması kullanılarak devre oluşturulduktan sonra test edilir. Bu noktada sadece bu aşama test edilecektir, bu nedenle enstrümantasyon amplifikatörüne veya notch filtresine bağlanmamalıdır. Bu nedenle, Agilent E3631A DC Güç Kaynağı, işlemsel yükselticiye +15 ve -15 V'luk bir çıkışla pin 4 ve 7'ye güç sağlamak için kullanılır. 1 V'luk bir Vpp ve 0 V'luk bir ofset. Pozitif giriş R1'e, negatif giriş ise toprağa bağlanmalıdır. Giriş ayrıca osiloskopun 1. kanalına da bağlanmalıdır. İşlemsel yükselticinin 6. pininden gelen çentik filtresinin çıkışı osiloskopun 2. kanalında görüntülenir. Bir AC taraması, frekans 10 Hz ile 300 Hz arasında değiştirilerek ölçülür ve kaydedilir. Frekans, 150 Hz'lik kesme frekansına ulaşana kadar 10 Hz'lik artışlarla artırılabilir. Ardından frekans, 250 Hz'e ulaşana kadar 5 Hz artırılmalıdır. Süpürmeyi bitirmek için 10 Hz'lik daha yüksek artışlar kullanılabilir. Vout/Vin oranı ve faz açısı kaydedilir. Kesme frekansı 150 Hz değilse, bu değerin aslında kesme frekansı olmasını sağlamak için direnç değerlerinin değiştirilmesi gerekir. Frekans yanıtı grafiği, kesme frekansının 150Hz civarında olduğunu görebileceğiniz resimdeki gibi görünmelidir.

Adım 5: 3 Bileşenin Tümünü Birleştirin ve Elektrokardiyogramı (EKG) Simüle Edin

Önceki bileşenin son devre bileşeni ile sonraki bileşenin başlangıcı arasına bir kablo ekleyerek üç aşamayı da bağlayın. Tam devre şemada görülmektedir.

Fonksiyon üretecini kullanarak, başka bir EKG sinyalini simüle edin Bileşenler başarılı bir şekilde oluşturulmuş ve bağlanmışsa, osiloskop üzerindeki çıkışınız resimdeki gibi görünmelidir.

Adım 6: DAQ Board Kurulumu

DAQ panosunun üstünde görülebilir. Güç vermek için bilgisayarın arkasına bağlayın ve İzole Analog Girişi kartın 8. kanalına (ACH 0/8) yerleştirin. İzole Analog Girişin '1' ve '2' etiketli deliklerine iki kablo takın. Fonksiyon üretecini, Vpp 500mV ve 0V ofset ile 1Hz EKG sinyali verecek şekilde ayarlayın. Fonksiyon üretecinin çıkışını, İzole Analog Girişe yerleştirilmiş kablolara bağlayın.

Adım 7: LabView'ı Açın, Yeni Bir Proje Oluşturun ve DAQ Asistanını Kurun

LabView yazılımını açın ve yeni bir proje oluşturun ve dosya açılır menüsü altında yeni bir VI açın. Bir bileşen penceresi açmak için sayfaya sağ tıklayın. 'DAQ Assistant Input'u arayın ve ekrana sürükleyin. Bu otomatik olarak ilk pencereyi açacaktır.

Sinyal Al > Analog Giriş > Gerilim'i seçin. Bu, ikinci pencereyi açacaktır.

İzole Analog Girişinizi kanal 8'e yerleştirdiğiniz için ai8'i seçin. Son pencereyi açmak için Bitir'i seçin.

Edinme Modunu Sürekli Örnekler, Okunacak Örnekleri 2k ve Hızı 1kHz olarak değiştirin. Ardından, pencerenizin üst kısmındaki Çalıştır'ı seçin ve yukarıda görülen gibi bir çıktı görünmelidir. EKG sinyali ters çevrilirse, fonksiyon üretecinden DAQ kartına olan bağlantıları değiştirmeniz yeterlidir. Bu, bir EKG sinyalini başarıyla aldığınızı gösterir! (Yay!) Şimdi onu analiz etmek için kodlamanız gerekiyor!

Adım 8: EKG Sinyalinin Bileşenlerini Analiz Etmek ve Kalp Atışını Hesaplamak için LabView Kodunu Kodlayın

LabView'da resimdeki sembolleri kullanın

DAQ Assistant'ı zaten yerleştirdiniz. DAQ Asistanı, bir fonksiyon üreteci tarafından simüle edilen veya uygun şekilde yerleştirilmiş elektrotlara bağlanan bir kişiden doğrudan alınan bir analog voltaj sinyali olan giriş sinyalini alır. Daha sonra bu sinyali alır ve sürekli örnekleme ve okunacak 2000 örneğin parametreleri, 1 kHz örnekleme hızı ve maksimum ve minimum voltaj değerleri sırasıyla 10V ve -10V olan bir A/D dönüştürücüden geçirir. Elde edilen bu sinyal daha sonra görsel olarak görülebilmesi için bir grafik üzerinde çıktı olarak verilir. Ayrıca bu dönüştürülmüş dalga biçimini alır ve negatif bir kaymayı hesaba kattığından emin olmak için 5 ekler ve ardından tepe noktaları daha belirgin, daha büyük ve analiz edilmesi daha kolay hale getirmek için 200 ile çarpılır. Ardından, maksimum/min işleneni aracılığıyla verilen 2.5 saniyelik pencere içinde dalga biçiminin maksimum ve minimum değerini belirler. Hesaplanan maksimum değer, değiştirilebilen ancak genellikle %90 (0,9) olan bir yüzde ile çarpılmalıdır. Bu değer daha sonra min değerine eklenir ve eşik olarak tepe algılama işlenenine gönderilir. Sonuç olarak, bu eşiği aşan dalga biçimi grafiğinin her noktası bir tepe olarak tanımlanır ve tepe dedektör operatöründe bir tepe dizisi olarak kaydedilir. Bu tepe dizisi daha sonra iki farklı işleve gönderilir. Bu işlevlerden biri, maksimum değer operatörü tarafından hem tepe dizisini hem de dalga biçimi çıkışını alır. Bu fonksiyon içinde, dt, bu iki giriş, tepe noktalarının her biri için bir zaman değerine dönüştürülür. İkinci fonksiyon, tepe algılama fonksiyonunun konum çıktılarını alan ve 0. tepe ve 1. tepe konumlarını elde etmek için bunları ayrı olarak indeksleyen iki indeks operatöründen oluşur. Bu iki konum arasındaki fark, eksi operatörü tarafından hesaplanır ve ardından dt fonksiyonundan elde edilen zaman değerleri ile çarpılır. Bu, periyodu veya iki tepe noktası arasındaki süreyi saniye olarak verir. Tanım olarak, 60'ın döneme bölünmesi BPM'yi verir. Bu değer daha sonra çıktının her zaman pozitif olduğundan emin olmak için mutlak bir işlenenden geçirilir ve ardından en yakın tam sayıya yuvarlanır. Bu, kalp atış hızının hesaplanmasında ve son olarak dalga biçimi çıkışıyla aynı ekrana verilmesinde son adımdır. Son olarak, blok diyagramın ilk resimdeki gibi görünmesi gerekir.

Blok diyagramı tamamladıktan sonra programı çalıştırırsanız resimdeki çıktıyı almalısınız.

Adım 9: Devreyi ve LabView Bileşenlerini Birleştirin ve Gerçek Bir Kişiye Bağlayın

Şimdi eğlenceli kısım için! Gerçek bir EKG elde etmek ve kalp atış hızını hesaplamak için güzel devrenizi ve LabView programını birleştirmek. Devreyi bir insana uyacak ve uygun bir sinyal üretecek şekilde modifiye etmek için, enstrümantasyon amplifikatörünün kazancı 100'e düşürülmelidir. Bunun nedeni, bir kişiye bağlandığında, bir ofset olmasıdır. sonra işlemsel yükselticiyi doyurur. Kazancı düşürerek, bu sorunu azaltacaktır. İlk olarak, enstrümantasyon yükselticisinin birinci aşamasının kazancı, toplam kazancın 100 olacağı şekilde 4'lük bir kazanca değiştirilir. Daha sonra, denklem 1 kullanılarak, R2, 19.5 kΩ'a ayarlanır ve R1 aşağıdaki gibi bulunur:

4 = 1 + 2(19, 500)R1⇒R1= 13 kΩ Ardından, önceden oluşturulmuş devre tahtasında 2. adımda gösterildiği gibi R1'in direncini 13 kΩ'a değiştirerek enstrümantasyon amplifikatörü değiştirilir. Devrenin tamamı bağlanır ve devre LabView kullanılarak test edilebilir. Agilent E3631A DC Güç Kaynağı, +15 V ve -15 V çıkış ile 4 ve 7 numaralı pinlere giden işlemsel amplifikatörlere güç sağlar. negatif kurşun (G2) sağ bileğe, zemin (COM) sağ ayak bileğine gidiyor. İnsan girişi, pozitif uç birinci işlemsel yükselticinin 3'üncü pimine ve negatif uç ikinci işlemsel yükselticinin 3'üncü pimine bağlıyken, devrenin birinci aşamasında işlemsel yükselteçlerin pim 3'üne olmalıdır. Zemin, breadboard'un zeminine bağlanır. Alçak geçiren filtrenin 6. pininden gelen amplifikatörün çıkışı DAQ kartına bağlanmıştır. Çok hareketsiz ve sessiz olduğunuzdan emin olun ve LabView'da resimdekine benzer bir çıktı almalısınız.

Bu sinyal, fonksiyon üreteci tarafından simüle edilen mükemmel sinyalden açıkça çok daha gürültülüdür. Sonuç olarak, kalp atış hızınız çok fazla sıçrayacaktır, ancak 60-90 BPM aralığında dalgalanması gerekir. İşte buyur! Bir devre kurarak ve bazı yazılımları kodlayarak kendi kalp atış hızımızı ölçmenin eğlenceli bir yolu!