Giao diện người dùng ảo ECG và nhịp tim: 9 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:35

Đối với hướng dẫn này, chúng tôi sẽ chỉ cho bạn cách xây dựng một mạch nhận nhịp tim của bạn và hiển thị nó trên giao diện người dùng ảo (VUI) với đầu ra đồ họa của nhịp tim và nhịp tim của bạn. Điều này đòi hỏi sự kết hợp tương đối đơn giản giữa các thành phần mạch và phần mềm LabView để phân tích và xuất dữ liệu. Đây không phải là một thiết bị y tế. Điều này chỉ dành cho mục đích giáo dục bằng cách sử dụng các tín hiệu mô phỏng. Nếu sử dụng mạch này cho các phép đo điện tâm đồ thực, hãy đảm bảo mạch và các kết nối giữa mạch với thiết bị đang sử dụng các kỹ thuật cách ly thích hợp.

Vật liệu

Mạch:

• Breadboard:
• Điện trở:
• Tụ điện:
• Op Amps:
• Dây mạch (có trong liên kết Breadboard)
• Clip cá sấu
• Hợp âm chuối
• Bộ nguồn DC Agilent E3631A
• Máy phát chức năng
• Máy hiện sóng

LabView:

• Phần mềm LabView
• Bảng DAQ
• Dây mạch
• Ngõ vào Analog Isolated
• Máy phát chức năng

Bước 1: Xác định Bộ lọc và Bộ khuếch đại sẽ sử dụng

Để biểu diễn tín hiệu ECG, ba giai đoạn khác nhau của mạch đã được thiết kế và triển khai: bộ khuếch đại thiết bị đo, bộ lọc rãnh và bộ lọc thông thấp. Bộ khuếch đại thiết bị đo đạc khuếch đại tín hiệu khi nhận được từ một đối tượng thường rất nhỏ và khó có thể nhìn thấy và phân tích. Bộ lọc khía được sử dụng để loại bỏ nhiễu ở tần số 60Hz vì tín hiệu điện tâm đồ không chứa tín hiệu ở tần số 60Hz. Cuối cùng, bộ lọc thông thấp loại bỏ các tần số cao hơn để loại bỏ nhiễu khỏi tín hiệu và kết hợp với bộ lọc rãnh chỉ cho phép các tần số được biểu diễn trong tín hiệu ECG.

Bước 2: Xây dựng Bộ khuếch đại Dụng cụ và Kiểm tra Nó

Bộ khuếch đại được yêu cầu phải có mức khuếch đại 1000 V / V và có thể thấy, bộ khuếch đại được tạo thành từ hai tầng. Do đó, hệ số khuếch đại phải được phân phối đều giữa hai giai đoạn, với K1 là hệ số khuếch đại của giai đoạn đầu tiên và K2 là hệ số khuếch đại của giai đoạn thứ hai. Chúng tôi xác định K1 là 40 và K2 là 25. Đây là các giá trị chấp nhận được do thực tế là khi nhân với nhau, thu được mức tăng 1000 V / V, 40 x 25 = 1000, và chúng có giá trị tương đương, với phương sai 15 V / V. Sử dụng các giá trị này cho độ lợi, các điện trở thích hợp sau đó có thể được tính toán. Các phương trình sau được sử dụng cho các phép tính này:

Tăng giai đoạn 1: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Tăng giai đoạn 2: K2 = -R4R3 (2)

Chúng tôi tùy ý chọn một giá trị của R1, trong trường hợp này là 1 kΩ, và sau đó được giải cho giá trị của R2. Cắm các giá trị trước đó vào phương trình cho mức tăng 1, chúng tôi nhận được:

40 = 1 + 2R2 * 1000⇒R2 = 19, 500 Ω

Điều quan trọng là đảm bảo rằng khi chọn các điện trở, chúng nằm trong phạm vi kOhm vì quy tắc ngón tay cái là điện trở càng lớn thì càng có nhiều điện năng có thể tiêu tán một cách an toàn mà không bị hư hỏng. Nếu điện trở quá nhỏ và dòng điện quá lớn, điện trở sẽ bị hỏng và hơn nữa bản thân mạch điện sẽ không thể hoạt động. Theo cùng một giao thức cho giai đoạn 2, chúng tôi tùy ý chọn một giá trị của R3, 1 kΩ, và sau đó giải cho R4. Cắm các giá trị trước đó vào phương trình độ lợi giai đoạn 2, ta nhận được: 25 = -R4 * 1000 ⇒R4 = 25000 Ω

Dấu âm bị phủ định vì điện trở không thể âm. Khi bạn đã có những giá trị này, hãy xây dựng mạch hình sau. Sau đó kiểm tra nó!

Bộ nguồn DC Agilent E3631A cấp nguồn cho bộ khuếch đại hoạt động với đầu ra +15 V và -15 V đi đến chân 4 và 7. Đặt bộ tạo chức năng để xuất ra Dạng sóng tim có tần số 1 kHz, Vpp là 12,7 mV, và độ lệch 0 V. Đầu vào này phải là chân 3 của bộ khuếch đại hoạt động trong giai đoạn đầu tiên của mạch. Đầu ra của bộ khuếch đại, đến từ chân 6 của bộ khuếch đại hoạt động của tầng thứ hai, được hiển thị trên kênh 1 của máy hiện sóng và điện áp đỉnh-đỉnh được đo và ghi lại. Để đảm bảo rằng bộ khuếch đại thiết bị đo có độ lợi ít nhất là 1000 V / V, điện áp đỉnh-đỉnh ít nhất phải là 12,7 V.

Bước 3: Xây dựng bộ lọc Notch và kiểm tra nó

Bộ lọc khía được yêu cầu để loại bỏ nhiễu 60 Hz khỏi âm thanh. Ngoài yêu cầu này, vì bộ lọc này không cần bao gồm thêm bất kỳ bộ khuếch đại nào, hệ số chất lượng được đặt thành 1. Cũng như với bộ khuếch đại thiết bị đo, trước tiên chúng tôi xác định các giá trị cho R1, R2, R3 và C bằng cách sử dụng thiết kế sau phương trình cho bộ lọc khía: R1 = 1 / (2Q⍵0C)

R2 = 2Q / (⍵0C)

R3 = R1R / (2R1 + R2)

Q = ⍵0 / β

β = ⍵c2 -⍵c1

Trong đó Q = hệ số chất lượng

⍵0 = 2πf0 = tần số trung tâm tính bằng rad / giây

f0 = tần số trung tâm tính bằng Hz

β = băng thông tính bằng rad / giây

⍵c1, ⍵c2 = tần số cắt (rad / giây)

Chúng tôi tùy ý chọn một giá trị của C, trong trường hợp này là 0,15 µF, và sau đó được giải cho giá trị của R1. Cắm các giá trị trước đó được liệt kê của hệ số chất lượng, tần số trung tâm và điện dung, chúng tôi nhận được:

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

Như đã đề cập ở trên khi thảo luận về thiết kế của bộ khuếch đại thiết bị đo, điều quan trọng vẫn là đảm bảo rằng khi giải quyết các điện trở mà chúng nằm trong phạm vi kOhm để không làm hỏng mạch. Nếu khi giải quyết các điện trở, một giá trị quá nhỏ, nên thay đổi một giá trị, chẳng hạn như điện dung, để đảm bảo rằng điều này không xảy ra. Tương tự để giải phương trình cho R1, R2 và R3 có thể được giải quyết:

R2 = 2 (1) / [(2π60) (0,15x10-6)] = 289,9 kΩ

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

Ngoài ra, hãy giải quyết băng thông để có nó làm giá trị lý thuyết để so sánh với giá trị thực nghiệm sau này:

1 = (2π60) / β⇒β = 47,12 rad / giây

Một khi bạn biết các giá trị điện trở xây dựng mạch trên bảng mạch.

Chỉ giai đoạn này của mạch là được kiểm tra tại thời điểm này, vì vậy nó không nên được kết nối với bộ khuếch đại thiết bị đo. Bộ nguồn DC Agilent E3631A được sử dụng để cấp nguồn cho bộ khuếch đại hoạt động với đầu ra +15 V và -15 V đến chân 4 và 7. Bộ tạo chức năng được thiết lập để đầu ra dạng sóng hình sin với tần số ban đầu là 10 Hz, a Vpp là 1 V và bù là 0 V. Đầu vào tích cực phải được kết nối với R1 và đầu vào âm phải được kết nối với đất. Đầu vào cũng phải được kết nối với kênh 1 của máy hiện sóng. Đầu ra của bộ lọc khía, đến từ chân 6 của bộ khuếch đại hoạt động được hiển thị trên kênh 2 của máy hiện sóng. Quét AC được đo và ghi lại bằng cách thay đổi tần số từ 10 Hz đến 100 Hz. Có thể tăng tần số thêm 10 Hz cho đến khi đạt đến tần số 50. Sau đó sử dụng các gia số 2 Hz cho đến 59 Hz. Sau khi đạt đến 59 Hz, phải lấy số gia 0,1 Hz. Sau đó, sau khi đạt đến 60 Hz, các gia số có thể được tăng lên một lần nữa. Tỷ lệ Vout / Vin và góc pha sẽ được ghi lại. Nếu tỷ lệ Vout / Vin không nhỏ hơn hoặc bằng -20 dB ở 60 Hz, các giá trị điện trở cần được thay đổi để đảm bảo tỷ lệ này. Sau đó, một biểu đồ đáp ứng tần số và biểu đồ đáp ứng pha được xây dựng từ dữ liệu này. Đáp ứng tần số sẽ trông giống như vậy trong biểu đồ, điều này chứng tỏ rằng các tần số xung quanh 60Hz đã bị loại bỏ, đó là điều bạn muốn!

Bước 4: Xây dựng bộ lọc thông thấp và kiểm tra nó

Tần số cắt của bộ lọc thông thấp được xác định là 150 Hz. Giá trị này được chọn vì bạn muốn giữ lại tất cả các tần số có trong điện tâm đồ trong khi loại bỏ tiếng ồn dư thừa, đặc biệt được tìm thấy ở các tần số cao hơn. Tần số của sóng T nằm trong khoảng từ 0-10 Hz, sóng P trong khoảng từ 5-30 Hz và phức hợp QRS trong khoảng 8-50 Hz. Tuy nhiên, dẫn truyền tâm thất bất thường được đặc trưng bởi tần số cao hơn, thường là trên 70 Hz. Do đó, 150 Hz đã được chọn làm tần số cắt để đảm bảo rằng chúng ta có thể thu được tất cả các tần số, thậm chí cả những tần số cao hơn, đồng thời loại bỏ tiếng ồn tần số cao. Ngoài tần số cắt 150 Hz, hệ số chất lượng, K, được đặt thành 1 vì không cần khuếch đại thêm. Đầu tiên, chúng tôi xác định các giá trị cho R1, R2, R3, R4, C1 và C2 bằng cách sử dụng các phương trình thiết kế sau cho bộ lọc thông thấp:

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

R2 = 1 / [bC1C2R1⍵c ^ 2]

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

R4 = K (R1 + R2)

C2 khoảng 10 / fc uF

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

Trong đó K = đạt được

⍵c = tần số cắt (rad / giây)

fc = tần số cắt (Hz)

a = hệ số lọc = 1.414214

b = hệ số lọc = 1

Bởi vì độ lợi là 1, R3 được thay thế bằng một mạch hở và R4 được thay thế bằng một đoạn ngắn mạch khiến nó trở thành một bộ theo điện áp. Do đó, những giá trị đó không cần phải được giải quyết. Đầu tiên chúng tôi giải quyết cho giá trị của C2. Cắm các giá trị trước đó vào phương trình đó, chúng ta nhận được:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Sau đó, C1 có thể được giải quyết bằng cách sử dụng giá trị của C2.

C1 <(0,047x10 ^ -6) [1,414214 ^ 2 + 4 (1) (1 -1)] / 4 (1)

C1 <0,024 uF = 0,022 uF

Khi các giá trị điện dung đã được giải quyết, R1 và R2 có thể được tính như sau:

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

Với các điện trở phù hợp, hãy xây dựng mạch điện như trong sơ đồ mạch điện.

Đây là giai đoạn cuối cùng của thiết kế tổng thể và nên được xây dựng trên bảng mạch trực tiếp ở bên trái của bộ lọc khía với đầu ra của bộ lọc khía và điện áp đầu vào cho bộ lọc thông thấp. Mạch này sẽ được xây dựng bằng cách sử dụng cùng một bảng mạch như trước đây, với điện trở và điện dung được tính toán chính xác, và một bộ khuếch đại hoạt động. Khi mạch được xây dựng bằng cách sử dụng sơ đồ mạch trong hình 3, nó sẽ được thử nghiệm. Chỉ giai đoạn này mới được kiểm tra tại thời điểm này, vì vậy nó không nên được kết nối với bộ khuếch đại thiết bị đo hoặc bộ lọc khía. Do đó, Bộ nguồn DC Agilent E3631A được sử dụng để cấp nguồn cho bộ khuếch đại hoạt động với đầu ra +15 và -15 V cho chân 4 và 7. Bộ tạo chức năng được đặt để đầu ra dạng sóng hình sin với tần số ban đầu là 10 Hz, Vpp là 1 V và bù là 0 V. Đầu vào tích cực phải được kết nối với R1 và đầu vào âm phải được kết nối với đất. Đầu vào cũng phải được kết nối với kênh 1 của máy hiện sóng. Đầu ra của bộ lọc khía, đến từ chân 6 của bộ khuếch đại hoạt động được hiển thị trên kênh 2 của máy hiện sóng. Quét AC được đo và ghi lại bằng cách thay đổi tần số từ 10 Hz đến 300 Hz. Tần số có thể được tăng thêm 10 Hz cho đến khi đạt đến tần số cắt 150 Hz. Sau đó, tần số sẽ được tăng thêm 5 Hz cho đến khi đạt 250 Hz. Các bước tăng cao hơn 10 Hz có thể được sử dụng để kết thúc quá trình quét. Tỷ lệ Vout / Vin và góc pha được ghi lại. Nếu tần số cắt không phải là 150 Hz, thì các giá trị điện trở cần phải được thay đổi để đảm bảo giá trị này trên thực tế là tần số cắt. Biểu đồ đáp ứng tần số sẽ giống như hình, nơi bạn có thể thấy rằng tần số cắt là khoảng 150Hz.

Bước 5: Kết hợp cả 3 thành phần và mô phỏng điện tâm đồ (ECG)

Kết nối tất cả ba giai đoạn bằng cách thêm một dây giữa thành phần mạch cuối cùng của thành phần trước với đầu của thành phần tiếp theo. Toàn bộ mạch được xem trong sơ đồ.

Sử dụng bộ tạo chức năng, mô phỏng một tín hiệu điện tâm đồ khác bằng cách Nếu các thành phần được xây dựng và kết nối thành công, đầu ra của bạn trên máy hiện sóng sẽ giống như trong hình.

Bước 6: Thiết lập DAQ Board

Phía trên bảng DAQ có thể được nhìn thấy. Kết nối nó với mặt sau của máy tính để bật nguồn và đặt Ngõ vào Analog Isolated vào kênh 8 của bo mạch (ACH 0/8). Chèn hai dây vào các lỗ có nhãn ‘1’ và ‘2’ của Đầu vào Tương tự Cô lập. Thiết lập bộ tạo chức năng để xuất ra tín hiệu ECG tần số 1Hz với Vpp là 500mV và độ lệch 0V. Kết nối đầu ra của bộ tạo chức năng với các dây được đặt trong Đầu vào Tương tự Cô lập.

Bước 7: Mở LabView, tạo dự án mới và thiết lập DAQ Assistant

Mở phần mềm LabView và tạo một dự án mới và mở một VI mới trong menu thả xuống của tệp. Nhấp chuột phải vào trang để mở cửa sổ thành phần. Tìm kiếm 'Phương thức nhập hỗ trợ DAQ' và kéo nó lên màn hình. Thao tác này sẽ tự động kéo lên cửa sổ đầu tiên.

Chọn Nhận tín hiệu> Ngõ vào tương tự> Điện áp. Thao tác này sẽ kéo lên cửa sổ thứ hai.

Chọn ai8 vì bạn đặt Đầu vào Tương tự Cô lập của mình ở kênh 8. Chọn Kết thúc để kéo lên cửa sổ cuối cùng.

Thay đổi Chế độ thu nhận thành Mẫu liên tục, Mẫu thành Đọc thành 2k và Tốc độ thành 1kHz. Sau đó, chọn Run ở đầu cửa sổ của bạn và một kết quả như đã thấy ở trên sẽ hiển thị. Nếu tín hiệu ECG bị đảo ngược, chỉ cần chuyển các kết nối từ bộ tạo chức năng sang bảng DAQ xung quanh. Điều này cho thấy rằng bạn đang thu được tín hiệu điện tâm đồ thành công! (Yay!) Bây giờ bạn cần mã hóa nó để phân tích nó!

Bước 8: Mã LabView để phân tích các thành phần của tín hiệu điện tâm đồ và tính nhịp tim

Sử dụng các ký hiệu trong hình trong LabView

Bạn đã đặt Trợ lý DAQ. DAQ Assistant lấy tín hiệu đầu vào, là tín hiệu điện áp tương tự, được mô phỏng bởi bộ tạo chức năng hoặc nhận trực tiếp từ một người được nối với các điện cực được đặt thích hợp. Sau đó, nó lấy tín hiệu này và chạy nó qua bộ chuyển đổi A / D với lấy mẫu liên tục và các thông số của 2000 mẫu được đọc, tốc độ lấy mẫu 1 kHz và với các giá trị điện áp tối đa và tối thiểu lần lượt là 10V và -10V. Tín hiệu thu được này sau đó được xuất ra trên đồ thị để có thể nhìn thấy nó một cách trực quan. Nó cũng lấy dạng sóng được chuyển đổi này và cộng thêm 5, để đảm bảo nó chiếm một phần bù âm và sau đó được nhân với 200 để làm cho các đỉnh khác biệt hơn, lớn hơn và dễ phân tích hơn. Sau đó, nó xác định giá trị tối đa và tối thiểu của dạng sóng trong cửa sổ 2,5 giây nhất định thông qua toán hạng max / min. Giá trị tối đa được tính toán cần được nhân với tỷ lệ phần trăm có thể thay đổi được nhưng thường là 90% (0,9). Giá trị này sau đó được thêm vào giá trị min và được gửi vào toán hạng phát hiện đỉnh làm ngưỡng. Kết quả là mọi điểm của đồ thị dạng sóng vượt quá ngưỡng này được xác định là một đỉnh và được lưu dưới dạng một mảng các đỉnh trong toán tử bộ dò đỉnh. Dãy các đỉnh này sau đó được gửi đến hai hàm khác nhau. Một trong những hàm này nhận cả mảng đỉnh và đầu ra dạng sóng bởi toán tử giá trị lớn nhất. Trong hàm này, dt, hai đầu vào này được chuyển đổi thành giá trị thời gian cho mỗi đỉnh. Hàm thứ hai bao gồm hai toán tử chỉ mục lấy các đầu ra vị trí của chức năng phát hiện đỉnh và lập chỉ mục chúng riêng biệt để thu được vị trí của đỉnh thứ 0 và đỉnh thứ nhất. Sự khác biệt giữa hai vị trí này được tính bằng toán tử trừ và sau đó nhân với các giá trị thời gian thu được từ hàm dt. Điều này xuất ra khoảng thời gian hoặc thời gian giữa hai lần đạt cực đại tính bằng giây. Theo định nghĩa, 60 chia cho khoảng thời gian sẽ cho BPM. Giá trị này sau đó được chạy qua một toán hạng tuyệt đối để đảm bảo đầu ra luôn là số dương và sau đó được làm tròn thành số nguyên gần nhất. Đây là bước cuối cùng trong việc tính toán và cuối cùng xuất nhịp tim lên màn hình giống như đầu ra dạng sóng. Cuối cùng, đây là sơ đồ khối sẽ giống như hình ảnh đầu tiên.

Sau khi hoàn thành sơ đồ khối, nếu bạn chạy chương trình, bạn sẽ nhận được đầu ra như hình.

Bước 9: Kết hợp mạch và các thành phần LabView và kết nối với một người thực sự

Bây giờ cho phần thú vị! Kết hợp mạch điện tuyệt đẹp của bạn và chương trình LabView để thu được điện tâm đồ thực và tính toán nhịp tim của nó. Để sửa đổi mạch điện để phù hợp với con người và tạo ra tín hiệu khả thi, độ lợi của bộ khuếch đại thiết bị đo đạc phải được giảm xuống độ lợi 100. Điều này là do thực tế là khi kết nối với một người, có một độ lệch. sau đó bão hòa bộ khuếch đại hoạt động. Bằng cách giảm mức tăng, điều này sẽ làm giảm vấn đề này. Đầu tiên, mức khuếch đại của giai đoạn đầu tiên của bộ khuếch đại thiết bị đo được thay đổi thành mức tăng 4 để mức tăng tổng thể là 100. Sau đó, sử dụng phương trình 1, R2 được đặt thành 19,5 kΩ và R1 được tìm thấy như sau:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 kΩ Sau đó, bộ khuếch đại thiết bị đo được sửa đổi bằng cách thay đổi điện trở của R1 thành 13 kΩ như thể hiện trong bước 2 trên breadboard được xây dựng trước đó. Toàn bộ mạch được kết nối và mạch có thể được kiểm tra bằng LabView. Bộ nguồn DC Agilent E3631A cung cấp năng lượng cho bộ khuếch đại hoạt động với đầu ra +15 V và -15 V đi đến chân 4 và 7. Các điện cực ECG được kết nối với đối tượng bằng dây dẫn dương (G1) đi đến mắt cá chân trái, đạo trình âm (G2) đi đến cổ tay phải, và tiếp đất (COM) đi đến mắt cá chân phải. Đầu vào của con người phải là chân 3 của bộ khuếch đại hoạt động trong giai đoạn đầu tiên của mạch với dây dẫn dương được kết nối với chân 3 của bộ khuếch đại hoạt động đầu tiên và dây dẫn âm được kết nối với chân 3 của bộ khuếch đại hoạt động thứ hai. Mặt đất kết nối với mặt đất của breadboard. Đầu ra của bộ khuếch đại, đến từ chân 6 của bộ lọc thông thấp, được gắn vào bảng DAQ. Hãy chắc chắn rằng rất yên tĩnh và yên tĩnh và bạn sẽ nhận được đầu ra trong LabView giống với đầu ra trong hình.

Tín hiệu này rõ ràng là nhiễu hơn nhiều so với tín hiệu hoàn hảo được mô phỏng bởi bộ tạo chức năng. Kết quả là nhịp tim của bạn sẽ nhảy xung quanh rất nhiều nhưng sẽ dao động trong khoảng 60-90 BPM. Và bạn có nó rồi đấy! Một cách thú vị để đo nhịp tim của chính chúng ta bằng cách xây dựng một mạch và mã hóa một số phần mềm!