א.ק.ג וממשק משתמש וירטואלי של קצב הלב: 9 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:17

למדריך זה, נראה לך כיצד לבנות מעגל כדי לקבל את פעימות הלב שלך ולהציג אותו על ממשק משתמש וירטואלי (VUI) עם פלט גרפי של פעימות הלב וקצב הלב שלך. זה דורש שילוב פשוט יחסית של רכיבי מעגלים ותוכנת LabView כדי לנתח ולפלט את הנתונים. זה לא מכשיר רפואי. זה מיועד למטרות לימוד רק באמצעות אותות מדומים. אם אתה משתמש במעגל זה למדידות א.ק.ג אמיתיות, ודא שהמעגל וחיבורי המעגל למכשיר משתמשים בטכניקות בידוד נאותות.

חומרים

מעגל חשמלי:

• לוח לחם:
• נגדים:
• קבלים:
• מגברי אופ:
• חוטי מעגל (כלולים בקישור Breadboard)
• תופסני תנין
• אקורדי בננה
• ספק כוח E3631A Agilent E3631A
• מחולל פונקציות
• אוֹסְצִילוֹסקוּפּ

LabView:

• תוכנת LabView
• לוח DAQ
• חוטי מעגל
• קלט אנלוגי מבודד
• מחולל פונקציות

שלב 1: קבע באילו מסננים ומגברים להשתמש

על מנת לייצג אות א.ק.ג, שלושה שלבים שונים של המעגל תוכננו ויושמו: מגבר מכשור, מסנן חריץ ומסנן מעבר נמוך. מגבר המכשור מגביר את האות כמו כאשר הוא מתקבל מהנושא הוא לעתים קרובות מאוד קטן וקשה לראות ולנתח אותו. מסנן החריץ משמש להסרת רעש ב -60 הרץ מכיוון שאות א.ק.ג אינו מכיל אותות ב -60 הרץ. לבסוף מסנן המעבר הנמוך מסיר תדרים גבוהים יותר להסרת רעש מהאות ובשילוב עם מסנן החריץ מאפשר רק בתדרים המיוצגים באות א.ק.ג.

שלב 2: בנה מגבר מכשור ובדוק אותו

למגבר יש רווח של 1000 V/V וכפי שניתן לראות, המגבר בנוי משני שלבים. לכן, הרווח חייב להיות מופץ באופן שווה בין שני השלבים, כאשר K1 הוא הרווח של השלב הראשון ו- K2 הוא הרווח של השלב השני. קבענו את K1 להיות 40 ו- K2 להיות 25. אלה ערכים מקובלים בשל העובדה שכאשר מכפילים אותם יחד, מתקבל רווח של 1000 V/V, 40 x 25 = 1000, והם במידה דומה, עם שונות של 15 V/V. באמצעות ערכים אלה לרווח, ניתן לאחר מכן לחשב את ההתנגדות המתאימות. המשוואות הבאות משמשות לחישובים אלה:

רווח שלב 1: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

רווח שלב 2: K2 = -R4R3 (2)

בחרנו באופן שרירותי ערך של R1, במקרה זה זה היה 1 kΩ ולאחר מכן נפתר בערך של R2. אם מחברים את הערכים הקודמים למשוואה לרווח שלב 1, אנו מקבלים:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500 Ω

חשוב לוודא שכאשר בוחרים את ההתנגדות, הם נמצאים בטווח kOhm בגלל כלל האצבע שככל שהנגד גדול יותר, כך יותר כוח יכול להתפוגג בבטחה מבלי לסבול מנזק. אם ההתנגדות קטנה מדי ויש זרם גדול מדי, תהיה פגיעה בנגד ועוד המעגל עצמו לא יוכל לתפקד. בעקבות אותו פרוטוקול לשלב 2, בחרנו באופן שרירותי ערך של R3, 1 kΩ, ולאחר מכן נפתר עבור R4. בחיבור הערכים הקודמים למשוואה לרווח שלב 2, נקבל: 25 = -R4*1000 ⇒R4 = 25000 Ω

הסימן השלילי נשלל מכיוון שהתנגדות לא יכולה להיות שלילית. לאחר שיהיו לך ערכים אלה, בנה את המעגל הבא בתמונה. ואז בדוק את זה!

ספק הכוח Agilent E3631A DC מניע את המגברים התפעוליים עם תפוקה של +15 V ו- -15 V המגיעים לפינים 4 ו- 7. הגדר את מחולל הפונקציות כדי להפיק צורת גל לב עם תדר של 1 קילוהרץ, Vpp של 12.7 mV, וקיזוז של 0 V. קלט זה צריך להיות לפין 3 של המגברים התפעוליים בשלב הראשון של המעגל. תפוקת המגבר, המגיעה מפין 6 של המגבר התפעולי של השלב השני, מוצגת בערוץ 1 של האוסילוסקופ והמתח שיא לשיא נמדד ונרשם. על מנת להבטיח שלמגבר המכשור יש רווח של לפחות 1000 V/V, שיא המתח לשיא צריך להיות לפחות 12.7 וולט.

שלב 3: בנה מסנן חריץ ובדוק אותו

מסנן החריץ נדרש להסרת רעש 60 הרץ מהסיגנל הביולוגי. בנוסף לדרישה זו, מכיוון שמסנן זה אינו צריך לכלול הגברה נוספת, גורם האיכות נקבע על 1. בדומה למגבר המכשור, קבענו תחילה את הערכים עבור R1, R2, R3 ו- C תוך שימוש בעיצוב הבא משוואות למסנן חריץ: R1 = 1/(2Q⍵0C)

R2 = 2Q/(⍵0C)

R3 = R1R/(2R1 + R2)

ש = ⍵0/β

β = ⍵c2 -⍵c1

איפה Q = גורם איכות

⍵0 = 2πf0 = תדר מרכז ברד/שניות

f0 = תדר מרכז בהרץ

β = רוחב פס ברד/שניות

⍵c1, ⍵c2 = תדרי ניתוק (rad/sec)

בחרנו באופן שרירותי ערך של C, במקרה זה הוא היה 0.15 µF ולאחר מכן נפתר בערך של R1. בחיבור הערכים הקודמים המפורטים של גורם האיכות, תדר המרכז והקיבול, אנו מקבלים:

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

כפי שצוין לעיל כאשר דנים בעיצוב מגבר המכשור, עדיין חשוב לוודא כי בעת פתרון ההתנגדויות שהם נמצאים בטווח kOhm כך שלא תיגרם נזק למעגל. אם בעת פתרון ההתנגדויות, אחד קטן מדי, יש לשנות ערך, כגון הקיבול, כדי להבטיח שזה לא יתרחש. באופן דומה ניתן לפתור את המשוואה של R1, R2 ו- R3:

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

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

בנוסף, פתר את רוחב הפס על מנת שיהיה לו ערך תיאורטי להשוות לערך הניסיוני מאוחר יותר:

1 = (2π60)/β⇒β = 47.12 rad/sec

ברגע שאתה יודע את ערכי ההתנגדות בונים מעגל על לוח הלחם.

רק שלב זה של המעגל נבדק בשלב זה, ולכן אין לחבר אותו למגבר המכשור. ספק הכוח Agilent E3631A משמש להפעלת המגבר התפעולי עם פלט של +15 V ו -15 V לפינים 4 ו 7. מחולל הפונקציות מוגדר להוציא צורת גל סינוסואידית בתדר התחלתי של 10 הרץ, א Vpp של 1 V, וקיזוז של 0 V. יש לחבר את הקלט החיובי ל- R1 והקלט השלילי צריך להיות מחובר לקרקע. הקלט צריך להיות מחובר גם לערוץ 1 של האוסילוסקופ. פלט מסנן החריץ, המגיע מסיכה 6 של המגבר התפעולי מוצג בערוץ 2 של האוסילוסקופ. טאטת AC נמדדת ונרשמת על ידי שינוי התדר בין 10 הרץ ל -100 הרץ. ניתן להגדיל את התדר במרווחים של 10 הרץ עד להגעה לתדר של 50. לאחר מכן משתמשים במרווחים של 2 הרץ עד 59 הרץ. לאחר הגעת 59 הרץ, יש לקחת מרווחים של 0.1 הרץ. לאחר מכן, לאחר הגעת 60 הרץ, ניתן להגדיל שוב את המרווחים. יש לרשום את יחס ה- Vout/Vin וזווית הפאזה. אם יחס ה- Vout/Vin אינו נמוך או שווה ל- -20 dB ב -60 הרץ, יש לשנות את ערכי ההתנגדות על מנת להבטיח יחס זה. לאחר מכן נבנתה מזימת תגובת תדר ועלילה של תגובת פאזה מנתונים אלה. תגובת התדר צריכה להיראות כך בתרשים, מה שמוכיח כי תדרים סביב 60 הרץ מוסרים, וזה מה שאתה רוצה!

שלב 4: בנה מסנן נמוך לעבור ובדוק אותו

תדירות החיתוך של מסנן המעבר הנמוך נקבעת כ -150 הרץ. ערך זה נבחר מכיוון שאתה רוצה לשמור את כל התדרים הקיימים ב- ECG תוך הסרת הרעש העודף, שנמצא במיוחד בתדרים גבוהים יותר. תדירות גל T נמצאת בטווח שבין 0-10 הרץ, גל P בטווח שבין 5-30 הרץ, ומתחם QRS בטווח 8-50 הרץ. עם זאת, הולכה חדרית לא תקינה מאופיינת בתדרים גבוהים יותר, בדרך כלל מעל 70 הרץ. לכן, 150 הרץ נבחר כתדר החיתוך על מנת להבטיח שנוכל ללכוד את כל התדרים, אפילו את התדרים הגבוהים יותר, תוך ניתוק רעשי תדרים גבוהים. בנוסף לתדר החיתוך של 150 הרץ, גורם האיכות, K, מוגדר ל -1 מכיוון שאין צורך בהגברה נוספת. תחילה קבענו את הערכים עבור R1, R2, R3, R4, C1 ו- C2 באמצעות משוואות העיצוב הבאות למסנן מעבר נמוך:

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

R2 = 1/[bC1C2R1⍵c^2]

R3 = K (R1+ R2)/(K -1) כאשר K> 1

R4 = K (R1+R2)

C2 בערך 10/fc uF

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

איפה K = רווח

⍵c = תדר ניתוק (rad/sec)

fc = תדר ניתוק (הרץ)

a = מקדם סינון = 1.414214

b = מקדם סינון = 1

מכיוון שהרווח הוא 1, R3 מוחלף במעגל פתוח ו- R4 מוחלף בקצר אשר הופך אותו לחסיד מתח. לכן אין צורך לפתור ערכים אלה. תחילה פתרנו את הערך של C2. בחיבור הערכים הקודמים למשוואה הזו נקבל:

C2 = 10/150 uF = 0.047 uF

לאחר מכן, ניתן לפתור את C1 באמצעות הערך של C2.

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

C1 <0.024 uF = 0.022 uF

לאחר שנפתרו ערכי הקיבול, ניתן לחשב את R1 ו- R2 באופן הבא:

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

עם ההתנגדויות הנכונות בנה את המעגל הנראה בתרשים המעגלים.

זהו השלב האחרון של העיצוב הכולל וצריך להיבנות על לוח הלחם ישירות משמאל למסנן החריץ עם פלט מסנן החריץ ומתח הכניסה למסנן המעבר הנמוך. מעגל זה אמור להיבנות באמצעות לוח לחם זהה לקודם, עם ההתנגדות והקיבול המחושבים כראוי, ומגבר תפעולי אחד. לאחר בניית המעגל באמצעות תרשים המעגלים באיור 3, הוא נבדק. רק שלב זה צריך להיבדק בשלב זה, ולכן אין לחבר אותו למגבר המכשור או למסנן החריץ. לכן, אספקת החשמל DC Agilent E3631A משמשת להפעלת המגבר התפעולי עם פלט של +15 ו -15 וולט לפינים 4 ו 7. מחולל הפונקציות מוגדר להוציא צורת גל סינוסואידית בתדר התחלתי של 10 הרץ, a Vpp של 1 V, וקיזוז של 0 V. יש לחבר את הקלט החיובי ל- R1 והקלט השלילי צריך להיות מחובר לקרקע. הקלט צריך להיות מחובר גם לערוץ 1 של האוסילוסקופ. פלט מסנן החריץ, המגיע מסיכה 6 של המגבר התפעולי מוצג בערוץ 2 של האוסילוסקופ. טאטת AC נמדדת ונרשמת על ידי שינוי התדר בין 10 הרץ ל 300 הרץ. ניתן להגדיל את התדירות במרווחים של 10 הרץ עד להגעה לתדר החיתוך של 150 הרץ. לאחר מכן, יש להגדיל את התדר ב -5 הרץ עד להגיע ל -250 הרץ. ניתן להשתמש במרווחים גבוהים יותר של 10 הרץ לסיום הטאטא. יחס ה- Vout/Vin וזווית הפאזה נרשמים. אם תדירות הניתוק אינה 150 הרץ, יש לשנות את ערכי ההתנגדות כדי להבטיח שערך זה הוא למעשה תדירות הניתוק. עלילת תגובת התדר צריכה להיראות כמו התמונה שבה ניתן לראות שתדירות הניתוק היא סביב 150 הרץ.

שלב 5: שלב את כל 3 הרכיבים ודמה אלקטרוקרדיוגרמה (א.ק.ג.)

חבר את כל שלושת השלבים על ידי הוספת חוט בין רכיב המעגל האחרון של הרכיב הקודם לתחילת הרכיב הבא. המעגל המלא נראה בתרשים.

באמצעות מחולל הפונקציות, הדמה אות אק ג נוסף על ידי אם הרכיבים נבנו ומחוברים בהצלחה, הפלט שלך באוסילוסקופ אמור להיראות כך בתמונה.

שלב 6: הגדרת לוח DAQ

מעל לוח DAQ ניתן לראות. חבר אותו לגב המחשב כדי להפעיל אותו והנח את הכניסה האנלוגית המבודדת בערוץ 8 של הלוח (ACH 0/8). הכנס שני חוטים לחורים המסומנים '1' ו- '2' של הקלט האנלוגי המבודד. הגדר את מחולל הפונקציות כדי להוציא אות אק ג של 1 הרץ עם Vpp של 500mV וקיזוז של 0V. חבר את הפלט של מחולל הפונקציות לחוטים הממוקמים בכניסה האנלוגית המבודדת.

שלב 7: פתח את LabView, צור פרויקט חדש והתקן את ה- DAQ Assistant

פתח את תוכנת LabView וצור פרוייקט חדש ופתח VI חדש בתפריט הנפתח של הקובץ. קליק ימני על הדף כדי לפתוח חלון רכיבים. חפש את 'קלט DAQ Assistant' וגרור אותו למסך. פעולה זו תעלה אוטומטית את החלון הראשון.

בחר רכישת אותות> קלט אנלוגי> מתח. זה ימשוך את החלון השני.

בחר ai8 מכיוון שהכנסת את הכניסה האנלוגית המבודדת לערוץ 8. בחר סיום כדי לפתוח את החלון האחרון.

שנה את מצב הרכישה לדגימות רציפות, הדגימות לקריאה ל- 2k והקצב ל- 1kHz. לאחר מכן בחר הפעלה בחלק העליון של החלון שלך ופלט כמו זה שנראה לעיל אמור להופיע. אם אות ה- ECG הפוך, פשוט העבר את החיבורים ממחולל הפונקציות ללוח ה- DAQ מסביב. זה מראה שאתה מצליח לרכוש אות אק ג! (Yay!) עכשיו אתה צריך לקודד אותו כדי לנתח אותו!

שלב 8: קוד LabView לנתח רכיבים של אות א.ק.ג וחישוב פעימות הלב

השתמש בסמלים שבתמונה ב- LabView

כבר מיקמת את ה- DAQ Assistant. עוזר DAQ לוקח את אות הכניסה, שהוא אות מתח אנלוגי, המדומה על ידי מחולל פונקציות או מתקבל ישירות מאדם המחובר לאלקטרודות הממוקמות כראוי. לאחר מכן הוא לוקח את האות הזה ומריץ אותו דרך ממיר A/D עם דגימה רציפה ופרמטרים של 2000 דגימות לקריאה, קצב דגימה של 1 קילוהרץ וערכי מתח מקסימום ודקה הם 10V ו -10V בהתאמה. האות הנרכש מופלט אז על גרף, כך שניתן יהיה לראות אותו ויזואלית. זה גם לוקח את צורת הגל המרה הזו ומוסיף 5, כדי להבטיח שהיא מהווה קיזוז שלילי ואז מוכפלת ב -200 כדי להפוך את הפסגות ליותר מובחנות, גדולות וקלות יותר לניתוח. לאחר מכן הוא קובע את הערך המקסימלי והדקה של צורת הגל בתוך החלון הנתון של 2.5 שניות דרך האופרנד המקסימלי/דקה. יש להכפיל את הערך המרבי המחושב באחוז שניתן לשנות אך הוא בדרך כלל 90% (0.9). ערך זה מתווסף אחר כך לערך המינימלי ונשלח אל אופרנד השיא לזהות כסף. כתוצאה מכך כל נקודה בגרף צורת הגלים החורגת מסף זה מוגדרת כשיא ושימורה כמערך פסגות במפעיל גלאי השיא. מערך פסגות זה נשלח לאחר מכן לשתי פונקציות שונות. אחת מהפונקציות הללו מקבלת הן את מערך השיא והן את פלט צורת הגל על ידי מפעיל הערך המקסימלי. בתוך פונקציה זו, dt, שתי תשומות אלה מומרות לערך זמן עבור כל אחת מהפסגות. הפונקציה השנייה מורכבת משני אופרטורי אינדקס שלוקחים את תפוקות המיקום של פונקציית זיהוי השיא ומנדדים אותם בנפרד כדי להשיג את המיקומים של השיא ה -0 והשיא הראשון. ההבדל בין שני מיקומים אלה מחושב על ידי אופרטור המינוס ולאחר מכן מוכפל בערכי הזמן המתקבלים מפונקציית dt. זה פלט את התקופה, או הזמן בין שתי פסגות תוך שניות. בהגדרה, 60 חלקי התקופה נותנים BPM. ערך זה מועבר לאחר מכן באמצעות אופרנד מוחלט כדי לוודא שהפלט תמיד חיובי ולאחר מכן מעוגל למספר השלם הקרוב ביותר. זהו השלב האחרון בחישוב ולבסוף להוציא את קצב הלב על אותו מסך כמו פלט צורת הגל. בסופו של דבר כך צריך להיראות תרשים הבלוק בתמונה הראשונה.

לאחר השלמת תרשים החסימה, אם אתה מפעיל את התוכנית אתה אמור לקבל את הפלט בתמונה.

שלב 9: שלב את המעגל ואת רכיבי LabView והתחבר לאדם אמיתי

עכשיו לחלק המהנה! שילוב המעגל היפה שלך ותוכנית LabView לרכישת א.ק.ג אמיתי וחישוב קצב הלב שלו. על מנת לשנות את המעגל כך שיתאים לאדם ולהפיק אות בר קיימא, יש לצמצם את הרווח של מגבר המכשור לרווח של 100. זאת בשל העובדה שכאשר הוא מחובר לאדם, יש קיזוז אשר ואז רווי את המגבר התפעולי. על ידי הורדת הרווח, הדבר יפחית את הנושא. ראשית, הרווח של השלב הראשון של מגבר המכשור משתנה לרווח של 4 כך שהרווח הכולל הוא 100. לאחר מכן, באמצעות משוואה 1, R2 מוגדר ל- 19.5 kΩ ו- R1 נמצא כדלקמן:

4 = 1 + 2 (19, 500) R1⇒R1 = 13 kΩ לאחר מכן, מגבר המכשור משתנה על ידי שינוי ההתנגדות של R1to 13 kΩ כפי שמוצג בשלב 2 בלוח הלחם שנבנה בעבר. המעגל כולו מחובר וניתן לבדוק את המעגל באמצעות LabView. ספק הכוח Agilent E3631A DC מניע את המגברים התפעוליים עם תפוקה של +15 V ו- -15 V לפינים 4 ו -7. אלקטרודות הא.ק.ג מחוברות לנושא כאשר המוביל החיובי (G1) עובר לקרסול השמאלי, עופרת שלילית (G2) הולכת אל פרק כף היד הימנית, והקרקע (COM) לקרסול הימני. הקלט האנושי צריך להיות סיכה 3 של המגברים התפעוליים בשלב הראשון של המעגל כשהמוביל החיובי מחובר לפין 3 של המגבר התפעולי הראשון וההובלה השלילית המחוברת לסיכה 3 של המגבר התפעולי השני. הקרקע מתחברת לקרקע לוח הלחם. פלט המגבר, המגיע מסיכה 6 של מסנן המעבר הנמוך, מחובר ללוח DAQ. הקפד להיות שקט מאוד ושקט וכדאי לקבל פלט ב- LabView שנראה דומה לזה שבתמונה.

ברור שאות זה רועש הרבה יותר מהאות המושלם המדומה על ידי מחולל הפונקציות. כתוצאה מכך קצב הלב שלך יקפוץ הרבה אבל אמור להשתנות בטווח של 60-90 BPM. והנה יש לך את זה! דרך מהנה למדוד את קצב הלב שלנו על ידי בניית מעגל וקידוד של תוכנות מסוימות!