ЭКГ және жүрек соғу жиілігі виртуалды пайдаланушы интерфейсі: 9 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:27

Бұл нұсқаулық үшін біз сізге сіздің жүрек соғу жиілігін және жүректің жиілігін графикалық шығаратын виртуалды пайдаланушы интерфейсінде (VUI) көрсету схемасын қалай құруға болатынын көрсетеміз. Бұл деректерді талдау және шығару үшін тізбек компоненттері мен LabView бағдарламалық қамтамасыз етуінің салыстырмалы түрде қарапайым комбинациясын қажет етеді. Бұл медициналық құрал емес. Бұл тек имитациялық сигналдарды қолдану арқылы білім беру мақсатында. Егер бұл тізбекті ЭКГ-ны нақты өлшеу үшін қолданатын болсаңыз, онда тізбек пен құрылғы арасындағы байланыс оқшаулаудың тиісті әдістерін қолданатынына көз жеткізіңіз.

Материалдар

Схема:

• Нан тақтасы:
• Резисторлар:
• Конденсаторлар:
• Қосымша күшейткіштер:
• Электр сымдары (Breadboard сілтемесіне кіреді)
• Аллигатор клиптері
• Банан аккорды
• Agilent E3631A тұрақты ток көзі
• Функция генераторы
• Осциллограф

LabView:

• LabView бағдарламасы
• DAQ тақтасы
• Тізбек сымдар
• Оқшауланған аналогтық кіріс
• Функция генераторы

1 -қадам: Қандай сүзгілер мен күшейткіштерді қолдану керектігін анықтаңыз

ЭКГ сигналын көрсету үшін тізбектің үш түрлі кезеңі жасалды және енгізілді: аспаптық күшейткіш, ойық сүзгісі және төмен өту сүзгісі. Аспаптық күшейткіш сигналды күшейтеді, себебі объектіден алынған кезде, әдетте, өте кішкентай, оны көру және талдау қиын. Шұңқырлы сүзгі 60 Гц жиіліктегі шуды кетіру үшін қолданылады, себебі ЭКГ сигналында 60 Гц сигналдары жоқ. Ақырында, төмен өту сүзгісі сигналдан шуды кетіру үшін жоғары жиілікті жояды, ал фильтрмен бірге ЭКГ сигналында көрсетілген жиіліктерге рұқсат береді.

2 -қадам: аспаптық күшейткішті жасаңыз және оны тексеріңіз

Күшейткіштің кернеуі 1000 В/В болуы керек және көрініп тұрғандай, күшейткіш екі кезеңнен тұрады. Сондықтан, табыс екі кезеңнің арасында біркелкі бөлінуі керек, бұл ретте K1 - бірінші кезеңнің, ал K2 - екінші кезеңнің пайдасы. Біз K1 -ді 40, ал K2 -ді 25 деп анықтадық. Бұл рұқсат етілген мәндер, себебі оларды бірге көбейткенде 1000 В/В күші 40 x 25 = 1000 болады және олар салыстырмалы мөлшерде болады. 15 В/В дисперсиясы. Осы мәндерді пайда үшін қолдана отырып, сәйкес қарсылықтарды есептеуге болады. Бұл есептеулер үшін келесі теңдеулер қолданылады:

1 кезең: К1 = 1 + 2R2R1 (1)

2 кезең: К2 = -R4R3 (2)

Біз ерікті түрде R1 мәнін таңдадық, бұл жағдайда ол 1 кОм болды, содан кейін R2 мәні үшін шешілді. Алдыңғы мәндерді 1 -кезеңдегі теңдеуге қосқанда, біз мынаны аламыз:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Қарсылықты таңдағанда олардың кОм диапазонында болуын қамтамасыз ету маңызды, себебі резистор неғұрлым үлкен болса, соғұрлым көп қуат зақымдалусыз қауіпсіз таралады. Егер қарсылық тым аз болса және тым үлкен ток болса, онда резистор зақымдалады, сонымен қатар тізбектің өзі жұмыс істей алмайды. 2 -кезеңге арналған сол протоколға сәйкес біз R3, 1 кОм мәнін ерікті түрде таңдадық, содан кейін R4 үшін шештік. Алдыңғы мәндерді 2 -кезеңдегі теңдеуге қосқанда, біз мынаны аламыз: 25 = -R4*1000 ⇒R4 = 25000 Ω

Теріс белгі теріс болады, өйткені қарсылық теріс бола алмайды. Осы мәндерді алғаннан кейін, суретте көрсетілген келесі схеманы құрыңыз. Содан кейін сынап көріңіз!

Agilent E3631A тұрақты ток көзі 4 және 7 түйреуішке шығатын +15 В және -15 В жұмыс күшейткіштерін қуаттандырады, функция генераторын жиілігі 1 кГц, ВП 12,7 мВ, және 0 В. ығысуы. Бұл кіріс тізбектің бірінші сатысында жұмыс күшейткіштерінің 3 түйреуіші болуы керек. Екінші сатыдағы жұмыс күшейткішінің 6-штырынан шығатын күшейткіштің шығысы осциллографтың 1-арнасында көрсетіледі және кернеудің шыңнан шыңына дейін өлшенеді және жазылады. Аспаптық күшейткіштің кернеуі 1000 В/В кем болмауын қамтамасыз ету үшін кернеудің шыңынан шыңына дейін 12,7 В кем болмауы керек.

3 -қадам: Notch сүзгісін жасаңыз және оны тексеріңіз

Шұңқырлы сүзгі биосигналдан 60 Гц шуды кетіру үшін қажет. Бұл талапқа қосымша, өйткені бұл сүзгіге қосымша күшейтуді қажет етпейтіндіктен, сапа коэффициенті 1 -ге орнатылады. Аспаптық күшейткіштегідей, біз алдымен келесі дизайнды қолдана отырып R1, R2, R3 және C мәндерін анықтадық. тісті сүзгі үшін теңдеулер: R1 = 1/(2Q⍵0C)

R2 = 2Q/(⍵0C)

R3 = R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β = ⍵c2 -⍵c1

Мұндағы Q = сапалық фактор

⍵0 = 2πf0 = орталық жиілік рад/сек

f0 = орталық жиілік Гц

β = өткізу қабілеттілігі рад/сек

⍵c1, ⍵c2 = үзіліс жиіліктері (рад/сек)

Біз ерікті түрде С мәнін таңдадық, бұл жағдайда ол 0,15 мкФ болды, содан кейін R1 мәні үшін шешілді. Сапа коэффициентінің, орталық жиіліктің және сыйымдылықтың алдыңғы мәндерін қосқанда, біз мынаны аламыз:

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

Жоғарыда айтылғандай, аспаптық күшейткіштің конструкциясын талқылаған кезде, олардың кОм диапазонында болатын резисторларды шешкен кезде тізбекке зақым келмейтініне сенімді болу маңызды. Егер қарсылықтарды шешу кезінде олардың біреуі тым кішкентай болса, мұндай жағдайдың болмауын қамтамасыз ету үшін сыйымдылық сияқты мәнді өзгерту керек. R1, R2 және R3 теңдеулерін шешуге болады:

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

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

Сонымен қатар, эксперименттік мәнмен салыстыру үшін теориялық мәнге ие болу үшін өткізу жолағын шешіңіз:

1 = (2π60)/β⇒β = 47.12 рад/сек

Қарсылық мәндерін білгеннен кейін нан тақтасында контур құрыңыз.

Тек осы кезде тізбектің осы кезеңін тексеру керек, сондықтан оны аспаптық күшейткішке қосуға болмайды. Agilent E3631A тұрақты қоректендіру көзі +15 В және -15 В шығысы бар 4 және 7 -ші түйреуіштерге жұмыс істейтін күшейткішті қуаттандыру үшін қолданылады. Функция генераторы бастапқы жиілігі 10 Гц болатын синусоидальды толқын түрін шығаруға арналған. Vп 1 В, ал 0 В ығысу. Оң кіріс R1 -ге, ал теріс кіріс жерге қосылуы керек. Кіріс осциллографтың 1 -каналына да қосылуы керек. Жұмыс күшейткішінің 6 -штырынан келетін ойық сүзгісінің шығысы осциллографтың 2 -арнасында көрсетіледі. Айнымалы токты өшіру жиілігі 10 Гц -тен 100 Гц -ке дейін өзгеру арқылы өлшенеді және жазылады. Жиілікті 50 Гц жиілікке жеткенше 10 Гц қадаммен көбейтуге болады. Содан кейін 59 Гц -ке дейін 2 Гц қадамдар қолданылады. 59 Гц жиілікке жеткенде, 0,1 Гц -ке қадамдар жасау керек. Содан кейін, 60 Гц жиілікке жеткеннен кейін, қадамдарды тағы да ұлғайтуға болады. Vout/Vin қатынасы мен фаза бұрышы жазылуы керек. Егер Vout/Vin коэффициенті 60 Гц -20 дБ -ден кем болмаса немесе тең болмаса, бұл қатынасты қамтамасыз ету үшін қарсылық мәндерін өзгерту қажет. Содан кейін осы мәліметтерден жиілікке жауап беру схемасы мен фазалық жауап схемасы құрылады. 60 Гц жиіліктегі жиіліктердің жойылғанын дәлелдейтін графикте жиіліктің жауабы осылай болуы керек, бұл сіз қалаған нәрсе!

4-қадам: төмен өткізу сүзгісін жасаңыз және оны тексеріңіз

Төмен өтетін сүзгінің ажырату жиілігі 150 Гц ретінде анықталады. Бұл мән ЭКГ -да бар жиілікті сақтағыңыз келетіндіктен таңдалды, әсіресе жоғары жиілікте кездесетін артық шуды кетіру. Т толқынының жиілігі 0-10 Гц аралығында, Р толқыны 5-30 Гц аралығында, QRS комплексі 8-50 Гц диапазонында. Алайда, қарыншаның қалыпты өткізгіштігі жоғары жиіліктермен сипатталады, әдетте 70 Гц жоғары. Сондықтан жоғары жиілікті шуды өшіру кезінде барлық жиіліктерді, тіпті жоғары жиіліктерді де түсіруді қамтамасыз ету үшін 150 Гц шектеу жиілігі ретінде таңдалды. 150 Гц үзіліс жиілігінен басқа, сапа коэффициенті K 1 -ге қойылады, себебі қосымша күшейту қажет емес. Біз алдымен R1, R2, R3, R4, C1 және C2 мәндерін төмен өту сүзгісі үшін келесі дизайн теңдеулерін қолдана отырып анықтадық:

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

R2 = 1/[bC1C2R1⍵c^2]

K> 1 болғанда R3 = K (R1+ R2)/(K -1)

R4 = K (R1+R2)

C2 шамамен 10/fc uF

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

Мұндағы K = пайда

⍵c = үзіліс жиілігі (рад/сек)

fc = шектеу жиілігі (Гц)

a = сүзгі коэффициенті = 1.414214

b = сүзгі коэффициенті = 1

Кіріс 1 болғандықтан, R3 ашық тізбекке, ал R4is қысқа тұйықталуға ауыстырылады, бұл оны кернеудің ізбасары етеді. Сондықтан бұл құндылықтарды шешудің қажеті жоқ. Біз алдымен С2 мәнін шештік. Осы теңдеуге алдыңғы мәндерді қосқанда, біз мынаны аламыз:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Содан кейін С1 -ді С2 мәнін қолдана отырып шешуге болады.

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

C1 <0.024 uF = 0.022 uF

Сыйымдылық мәндері шешілгеннен кейін R1 және R2 келесідей есептеледі:

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

Дұрыс қарсылықтармен схемада көрсетілген схеманы құрыңыз.

Бұл жалпы конструкцияның соңғы кезеңі болып табылады және оны нон сүзгісінің сол жағындағы нон сүзгісінің шығысымен және төменгі өту сүзгісінің кіріс кернеуімен орналастыру керек. Бұл схема дұрыс есептелген кедергілер мен сыйымдылықтар мен бір жұмыс күшейткіші бар бұрынғы тақтаны қолдану арқылы жасалуы керек. 3 -суреттегі схеманы қолдана отырып, тізбек салынғаннан кейін ол сыналады. Тек осы сатыда сынақтан өту керек, сондықтан оны аспаптық күшейткішке де, ойық сүзгісіне де қосуға болмайды. Сондықтан Agilent E3631A тұрақты ток көзі +15 және -15 В шығысымен 4 және 7 түйреуіштерге шығатын операциялық күшейткішті қуаттандыру үшін қолданылады. Функционалды генератор бастапқы жиілігі 10 Гц болатын синусоидальды толқын түрін шығаруға орнатылған, a Vpp 1 В, ал 0 В ығысу. Оң кіріс R1 -ге, ал теріс кіріс жерге қосылуы керек. Кіріс осциллографтың 1 -каналына да қосылуы керек. Жұмыс күшейткішінің 6 -штырынан келетін ойық сүзгісінің шығысы осциллографтың 2 -арнасында көрсетіледі. Айнымалы токты өшіру жиілігі 10 Гц -ден 300 Гц -ке дейін өзгеру арқылы өлшенеді және жазылады. 150 Гц шектеу жиілігіне жеткенше жиілікті 10 Гц -ке арттыруға болады. Содан кейін жиілікті 250 Гц -ке жеткенше 5 Гц -ке арттыру керек. Тазартуды аяқтау үшін 10 Гц жоғары қадамдарды қолдануға болады. Vout/Vin қатынасы мен фазалық бұрыш жазылады. Егер үзіліс жиілігі 150 Гц болмаса, онда бұл мән шын мәнінде шектеу жиілігіне көз жеткізу үшін қарсылық мәндерін өзгерту қажет. Жиілікке жауап беру схемасы кесу жиілігі шамамен 150 Гц болатынын көруге болатын суретке ұқсас болуы керек.

5 -қадам: Барлық 3 компонентті біріктіріп, электрокардиограмманы имитациялау (ЭКГ)

Алдыңғы компоненттің соңғы тізбек компоненті арасындағы сымды келесі компоненттің басына қосу арқылы барлық үш кезеңді қосыңыз. Толық тізбек диаграммада көрсетілген.

Функционалды генератордың көмегімен басқа ЭКГ сигналын модельдеңіз, егер компоненттер сәтті салынған және қосылса, осциллографтағы шығыс суреттегідей болуы керек.

6 -қадам: DAQ тақтасын орнату

DAQ тақтасының үстінен көруге болады. Оны қосу үшін компьютердің артқы жағына жалғаңыз және оқшауланған аналогтық кірісті тақтаның 8 -арнасына қойыңыз (ACH 0/8). Оқшауланған аналогтық кірістің «1» және «2» деп белгіленген тесіктеріне екі сымды салыңыз. VP 500мВ және 0В ығысуымен 1Гц ЭКГ сигналын шығару үшін функция генераторын орнатыңыз. Функция генераторының шығуын оқшауланған аналогтық кіріске орналастырылған сымдарға қосыңыз.

7 -қадам: LabView ашыңыз, жаңа жоба жасаңыз және DAQ көмекшісін орнатыңыз

LabView бағдарламалық жасақтамасын ашып, жаңа жоба жасаңыз және файл ашылмалы мәзірінде жаңа VI ашыңыз. Компонент терезесін ашу үшін бетті тінтуірдің оң жақ түймесімен нұқыңыз. «DAQ Assistant Input» іздеп, оны экранға сүйреңіз. Бұл автоматты түрде бірінші терезені шығарады.

Acquire Signals> Analog Input> Voltage тармағын таңдаңыз. Бұл екінші терезені көтереді.

Ai8 таңдаңыз, себебі сіз оқшауланған аналогтық кірісті 8 -арнаға қоясыз. Соңғы терезені көтеру үшін Аяқтауды таңдаңыз.

Сатып алу режимін үздіксіз үлгілерге, оқу үлгілерін 2k -ге, ал жылдамдықты 1кГц -ке өзгертіңіз. Содан кейін терезенің жоғарғы жағында Іске қосу пәрменін таңдаңыз және жоғарыда көрсетілгендей нәтиже пайда болады. Егер ЭКГ сигналы төңкерілген болса, қосылымдарды функция генераторынан DAQ тақтасына айналдырыңыз. Бұл сіздің ЭКГ сигналын сәтті алғаныңызды көрсетеді! (Ия!) Енді оны талдау үшін кодтау керек!

8 -қадам: ЭКГ сигналының компоненттерін талдау және жүрек соғуын есептеу үшін LabView коды

LabView бағдарламасындағы суреттегі белгілерді қолданыңыз

Сіз DAQ көмекшісін орналастырдыңыз. DAQ көмекшісі кіріс генераторын қабылдайды, ол аналогты кернеу сигналы болып табылады, не функция генераторы арқылы имитацияланады, не электродтарды дұрыс орналастырылған адамнан тікелей алынады. Содан кейін ол бұл сигналды қабылдайды және оны үзіліссіз іріктеу және оқу үшін 2000 сынама параметрлері бар А/К түрлендіргіші арқылы жібереді, 1 кГц іріктеу жылдамдығы және максималды және минималды кернеу мәндері сәйкесінше 10В және -10В. Бұл алынған сигналды визуалды түрде көру үшін графикке шығарады. Ол сондай -ақ бұл түрлендірілген толқын пішінін қабылдайды және теріс ығысуды қамтамасыз ету үшін 5 қосады, содан кейін шыңдарды айқынырақ, үлкенірек және талдауды жеңілдету үшін 200 -ге көбейтіледі. Содан кейін ол максималды/мин операнд арқылы берілген терезеде толқын пішінінің максималды және минималды мәнін 2,5 секунд ішінде анықтайды. Есептелген максималды мәнді өзгертуге болатын пайызға көбейту қажет, бірақ әдетте 90% (0,9) құрайды. Содан кейін бұл мән минималды мәнге қосылады және шекті шекті анықтау операндына жіберіледі. Нәтижесінде, бұл шекті мәннен асатын толқын пішіні графигінің әрбір нүктесі шың ретінде анықталады және шың детекторы операторында шыңдар жиыны ретінде сақталады. Бұл шыңдар жиыны екі түрлі функцияға жіберіледі. Бұл функциялардың бірі максималды мән операторы арқылы шың массивін де, толқын пішінінің шығуын да алады. Бұл функцияның ішінде dt, бұл екі кіріс шыңдардың әрқайсысы үшін уақыт мәніне түрлендіріледі. Екінші функция екі индексті оператордан тұрады, олар шыңды анықтау функциясының орналасуын шығарады және 0 -шың мен 1 -шыңның орналасуын алу үшін оларды бөлек индекстейді. Бұл екі орынның айырмашылығын минус операторы есептейді, содан кейін dt функциясымен алынған уақыт мәндеріне көбейтіледі. Бұл кезеңді немесе екі шың арасындағы уақытты секундпен шығарады. Анықтама бойынша 60 кезеңге бөлінгенде BPM береді. Бұл мән абсолютті операнд арқылы орындалады, бұл нәтиженің әрқашан оң екеніне көз жеткізеді, содан кейін бүтін санға жақын дөңгелектенеді. Бұл жүрек соғу жиілігін толқын пішіні шығаратын экранға шығарудың соңғы кезеңі. Соңында блок -схема бірінші суретке ұқсас болуы керек.

Блок -схеманы аяқтағаннан кейін, егер сіз бағдарламаны іске қоссаңыз, сіз суретті шығарасыз.

9 -қадам: Схема мен LabView компоненттерін біріктіріп, нақты адамға қосылыңыз

Енді көңілді бөлікке! Нақты ЭКГ алу және оның жүрек соғу жылдамдығын есептеу үшін сіздің сұлбаңызды және LabView бағдарламасын біріктіру. Схеманы адамға сәйкес етіп өзгерту және өміршең сигналды шығару үшін, аспаптық күшейткіштің кірісін 100 -ге дейін төмендету керек. Бұл адамға қосылған кезде оның ығысуы болатындығына байланысты. содан кейін жұмыс күшейткішін қанықтырады. Табысты төмендету арқылы бұл мәселе азаяды. Біріншіден, аспаптық күшейткіштің бірінші кезеңінің табысы 4 -ке тең болады, осылайша жалпы пайда 100 -ге тең болады. Содан кейін 1 -теңдеуді қолдана отырып, R2 19,5 кОм мәніне орнатылады, ал R1is келесі түрде табылды:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 кОм Содан кейін, аспап күшейткіші R1 -ден 13 кОм кедергісін 2 -қадамда бұрын салынған нан тақтасында көрсетілгендей өзгерту арқылы өзгертіледі. Бүкіл тізбек қосылған және тізбекті LabView көмегімен тексеруге болады. Agilent E3631A тұрақты ток көзі +15 В және -15 В шығысымен жұмыс күшейткіштерін қуаттандырады, олар 4 және 7 -ші түйреуіштерге түседі. ЭКГ электродтары субъектіге оң жетегімен (G1) сол жақ тобыққа, теріс қорғасын (G2) оң білекке, ал жерге (COM) оң жақ тобыққа түседі. Адамның енгізуі тізбектің бірінші сатысында бірінші жұмыс күшейткішінің 3 істігіне қосылған оң сыммен және екінші жұмыс күшейткішінің 3 істігіне қосылған теріс сыммен жұмыс күшейткіштерінің 3 түйреуіші болуы керек. Жер нан тақтасының жеріне қосылады. Күшейткіштің шығысы төмен өтетін сүзгінің 6-штырынан шығады, DAQ тақтасына бекітілген. Өте тыныш және тыныш болыңыз, сонда сіз LabView -те суреттегіге ұқсас шығуды алуыңыз керек.

Бұл сигнал функция генераторы модельдеген тамаша сигналға қарағанда әлдеқайда шулы. Нәтижесінде сіздің жүрек соғу жиілігі өте жоғары болады, бірақ 60-90 BPM диапазонында өзгеруі керек. Ал сізде бар! Схеманы құру және кейбір бағдарламалық жасақтаманы кодтау арқылы жүрек соғу жиілігін өлшеудің қызықты әдісі!