Interfaccia utente virtuale ECG e frequenza cardiaca: 9 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Per questo tutorial, ti mostreremo come costruire un circuito per ricevere il tuo battito cardiaco e visualizzarlo su un'interfaccia utente virtuale (VUI) con un output grafico del tuo battito cardiaco e della tua frequenza cardiaca. Ciò richiede una combinazione relativamente semplice di componenti del circuito e il software LabView per analizzare e produrre i dati. Questo non è un dispositivo medico. Questo è solo a scopo didattico utilizzando segnali simulati. Se si utilizza questo circuito per misurazioni ECG reali, assicurarsi che il circuito e le connessioni circuito-strumento utilizzino tecniche di isolamento adeguate.

Materiali

Circuito:

• Breadboard:
• Resistori:
• Condensatori:
• Amplificatori operazionali:
• Cavi del circuito (inclusi nel collegamento Breadboard)
• Clip di coccodrillo
• Accordi di banana
• Alimentatore CC Agilent E3631A
• Generatore di funzioni
• Oscilloscopio

LabView:

• Software LabView
• Scheda DAQ
• Fili del circuito
• Ingresso analogico isolato
• Generatore di funzioni

Passaggio 1: determinare quali filtri e amplificatori utilizzare

Per rappresentare un segnale ECG, sono stati progettati e realizzati tre diversi stadi del circuito: un amplificatore per strumentazione, un filtro notch e un filtro passa basso. L'amplificatore della strumentazione amplifica il segnale in quanto quando ricevuto da un soggetto è spesso molto piccolo e difficile da vedere e analizzare. Il filtro notch viene utilizzato per rimuovere il rumore a 60Hz perché un segnale ECG non contiene segnali a 60Hz. Infine il filtro passa-basso rimuove le frequenze più alte per rimuovere il rumore dal segnale e in combinazione con il filtro notch consente solo le frequenze rappresentate in un segnale ECG.

Passaggio 2: costruire l'amplificatore per strumentazione e testarlo

L'amplificatore deve avere un guadagno di 1000 V/V e come si vede l'amplificatore è composto da due stadi. Pertanto, il guadagno deve essere distribuito uniformemente tra i due stadi, dove K1 è il guadagno del primo stadio e K2 è il guadagno del secondo stadio. Abbiamo determinato che K1 è 40 e K2 è 25. Questi sono valori accettabili per il fatto che moltiplicati insieme si ottiene un guadagno di 1000 V/V, 40 x 25 = 1000, e sono di quantità comparabile, con un varianza di 15 V/V. Utilizzando questi valori per il guadagno, si possono quindi calcolare le resistenze appropriate. Per questi calcoli vengono utilizzate le seguenti equazioni:

Guadagno Fase 1: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Guadagno Fase 2: K2 = -R4R3 (2)

Abbiamo scelto arbitrariamente un valore di R1, in questo caso era 1 kΩ, e successivamente abbiamo risolto per il valore di R2. Inserendo quei valori precedenti nell'equazione per il guadagno della fase 1, otteniamo:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19, 500Ω

È importante assicurarsi che quando si scelgono le resistenze, siano nell'intervallo kOhm a causa della regola empirica che più grande è la resistenza, maggiore è la potenza che può dissipare in sicurezza senza subire danni. Se la resistenza è troppo piccola e c'è una corrente troppo grande, ci sarà un danno al resistore e inoltre il circuito stesso non sarà in grado di funzionare. Seguendo lo stesso protocollo per la fase 2, abbiamo scelto arbitrariamente un valore di R3, 1 kΩ e quindi risolto per R4. Inserendo i valori precedenti nell'equazione per il guadagno dello stadio 2, otteniamo: 25 = -R4*1000 ⇒R4= 25000 Ω

Il segno negativo è negato in quanto le resistenze non possono essere negative. Una volta che hai questi valori, costruisci il seguente circuito nella foto. Allora provalo!

L'alimentatore CC Agilent E3631A alimenta gli amplificatori operazionali con un'uscita di +15 V e -15 V che va ai pin 4 e 7. Imposta il generatore di funzioni per emettere una forma d'onda cardiaca con una frequenza di 1 kHz, un Vpp di 12,7 mV, e un offset di 0 V. Questo ingresso dovrebbe essere al pin 3 degli amplificatori operazionali nel primo stadio del circuito. L'uscita dell'amplificatore, proveniente dal pin 6 dell'amplificatore operazionale del secondo stadio, viene visualizzata sul canale 1 dell'oscilloscopio e viene misurata e registrata la tensione picco-picco. Per garantire che l'amplificatore per strumentazione abbia un guadagno di almeno 1000 V/V, la tensione picco-picco dovrebbe essere di almeno 12,7 V.

Passaggio 3: crea un filtro notch e provalo

Il filtro notch è necessario per rimuovere il rumore a 60 Hz dal biosegnale. Oltre a questo requisito, poiché questo filtro non deve includere alcuna ulteriore amplificazione, il fattore di qualità è impostato su 1. Come con l'amplificatore per strumentazione, abbiamo prima determinato i valori per R1, R2, R3 e C utilizzando il seguente progetto equazioni per un filtro notch: R1= 1/(2Q⍵0C)

R2= 2Q/(⍵0C)

R3= R1R/(2R1 + R2)

Q = ⍵0/β

β= c2 -⍵c1

Dove Q = fattore di qualità

⍵0= 2πf0= frequenza centrale in rad/sec

f0= frequenza centrale in Hz

= larghezza di banda in rad/sec

⍵c1, ⍵c2= frequenze di taglio (rad/sec)

Abbiamo scelto arbitrariamente un valore di C, in questo caso era 0,15 µF, e successivamente abbiamo risolto per il valore di R1. Inserendo i valori precedenti elencati del fattore di qualità, frequenza centrale e capacità, otteniamo:

R1= 1/(2(1)(2π60)(0.15x10-6))= 1105,25

Come accennato in precedenza quando si discute del design dell'amplificatore per strumentazione, è comunque importante assicurarsi che quando si risolvono le resistenze che siano nell'intervallo kOhm, in modo che non venga fatto alcun danno al circuito. Se quando si risolve per le resistenze, una è troppo piccola, è necessario modificare un valore, come la capacità, per garantire che ciò non si verifichi. Analogamente alla risoluzione dell'equazione per R1, R2 e R3 può essere risolta:

R2= 2(1)/[(2π60)(0.15x10-6)]= 289,9 kΩ

R3= (1105,25) (289,9x103)/[(1105.25) + (289,9x103)]= 1095,84

Inoltre, risolvi la larghezza di banda per averla come valore teorico da confrontare in seguito con il valore sperimentale:

1 = (2π60)/β⇒β = 47,12 rad/sec

Una volta che conosci i valori di resistenza, costruisci il circuito sulla breadboard.

Solo questo stadio del circuito deve essere testato a questo punto, quindi non dovrebbe essere collegato all'amplificatore della strumentazione. L'alimentatore CC Agilent E3631A viene utilizzato per alimentare l'amplificatore operazionale con un'uscita di +15 V e -15 V che va ai pin 4 e 7. Il generatore di funzioni è impostato per emettere una forma d'onda sinusoidale con una frequenza iniziale di 10 Hz, un Vpp di 1 V e un offset di 0 V. L'ingresso positivo deve essere collegato a R1 e l'ingresso negativo deve essere collegato a massa. L'ingresso deve essere collegato anche al canale 1 dell'oscilloscopio. L'uscita del filtro notch, proveniente dal pin 6 dell'amplificatore operazionale, viene visualizzata sul canale 2 dell'oscilloscopio. Una scansione AC viene misurata e registrata variando la frequenza da 10 Hz a 100 Hz. La frequenza può essere aumentata con incrementi di 10 Hz fino a raggiungere una frequenza di 50. Successivamente vengono utilizzati incrementi di 2 Hz fino a 59 Hz. Una volta raggiunti i 59 Hz, dovrebbero essere presi incrementi di 0,1 Hz. Quindi, dopo aver raggiunto 60 Hz, gli incrementi possono essere nuovamente aumentati. Il rapporto Vout/Vin e l'angolo di fase devono essere registrati. Se il rapporto Vout/Vin non è inferiore o uguale a -20 dB a 60 Hz, è necessario modificare i valori di resistenza per garantire questo rapporto. Da questi dati viene quindi costruito un grafico della risposta in frequenza e un grafico della risposta di fase. La risposta in frequenza dovrebbe apparire come quella nel grafico, il che dimostra che le frequenze intorno ai 60Hz vengono rimosse, che è quello che vuoi!

Passaggio 4: crea un filtro passa-basso e testalo

La frequenza di taglio del filtro passa basso è determinata come 150 Hz. Questo valore è stato scelto perché si desidera mantenere tutte le frequenze presenti nell'ECG rimuovendo il rumore in eccesso, che si trova specificamente alle frequenze più alte. La frequenza dell'onda T si trova nell'intervallo 0-10 Hz, l'onda P nell'intervallo 5-30 Hz e il complesso QRS nell'intervallo 8-50 Hz. Tuttavia, la conduzione ventricolare anormale è caratterizzata da frequenze più elevate, tipicamente superiori a 70 Hz. Pertanto, è stato scelto 150 Hz come frequenza di taglio per garantire che possiamo catturare tutte le frequenze, anche le frequenze più alte, eliminando il rumore ad alta frequenza. Oltre alla frequenza di taglio di 150 Hz, il fattore di qualità, K, è impostato su 1 perché non è necessaria un'ulteriore amplificazione. Per prima cosa abbiamo determinato i valori per R1, R2, R3, R4, C1 e C2 utilizzando le seguenti equazioni di progettazione per un filtro passa basso:

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

R2= 1/[bC1C2R1⍵c^2]

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

R4= K(R1+R2)

C2 circa 10/fc uF

DO1 < DO2[a2 + 4b(K -1)]4b

Dove K = guadagno

⍵c= frequenza di taglio (rad/sec)

fc= frequenza di taglio (Hz)

a = coefficiente del filtro = 1,414214

b = coefficiente di filtro = 1

Poiché il guadagno è 1, R3 viene sostituito da un circuito aperto e R4 viene sostituito da un cortocircuito che lo rende un inseguitore di tensione. Pertanto, questi valori non devono essere risolti. Abbiamo prima risolto per il valore di C2. Inserendo i valori precedenti in quell'equazione, otteniamo:

C2 = 10/150 uF=0.047 uF

Quindi, C1 può essere risolto utilizzando il valore di C2.

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

C1 < 0,024 uF= 0,022 uF

Una volta risolti i valori di capacità, R1 e R2 possono essere calcolati come segue:

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

R2= 1(1)(0,022x10-6)(0,047x10-6)(25486,92)(2π150)2= 42718,89

Con le giuste resistenze costruisci il circuito visto nello schema elettrico.

Questa è l'ultima fase del progetto generale e dovrebbe essere costruita sulla breadboard direttamente a sinistra del filtro notch con l'uscita del filtro notch e la tensione di ingresso per il filtro passa basso. Questo circuito deve essere costruito utilizzando la stessa breadboard di prima, con le resistenze e le capacità correttamente calcolate e un amplificatore operazionale. Una volta che il circuito è stato costruito utilizzando lo schema elettrico in figura 3, viene testato. Solo questo stadio deve essere testato a questo punto, quindi non dovrebbe essere collegato né all'amplificatore della strumentazione né al filtro notch. Pertanto, l'alimentatore CC Agilent E3631A viene utilizzato per alimentare l'amplificatore operazionale con un'uscita di +15 e -15 V che va ai pin 4 e 7. Il generatore di funzioni è impostato per emettere una forma d'onda sinusoidale con una frequenza iniziale di 10 Hz, un Vpp di 1 V e un offset di 0 V. L'ingresso positivo deve essere collegato a R1 e l'ingresso negativo deve essere collegato a massa. L'ingresso deve essere collegato anche al canale 1 dell'oscilloscopio. L'uscita del filtro notch, proveniente dal pin 6 dell'amplificatore operazionale, viene visualizzata sul canale 2 dell'oscilloscopio. Una scansione AC viene misurata e registrata variando la frequenza da 10 Hz a 300 Hz. La frequenza può essere aumentata con incrementi di 10 Hz fino a raggiungere la frequenza di taglio di 150 Hz. Quindi, la frequenza dovrebbe essere aumentata di 5 Hz fino a raggiungere 250 Hz. È possibile utilizzare incrementi maggiori di 10 Hz per terminare lo sweep. Viene registrato il rapporto Vout/Vin e l'angolo di fase. Se la frequenza di taglio non è 150 Hz, i valori di resistenza devono essere modificati per garantire che questo valore sia effettivamente la frequenza di taglio. Il grafico della risposta in frequenza dovrebbe assomigliare all'immagine in cui puoi vedere che la frequenza di taglio è di circa 150Hz.

Passaggio 5: combinare tutti e 3 i componenti e simulare l'elettrocardiogramma (ECG)

Collegare tutti e tre gli stadi aggiungendo un filo tra l'ultimo componente del circuito del componente precedente all'inizio del componente successivo. Il circuito completo è visibile nello schema.

Utilizzando il generatore di funzioni, simula un altro segnale ECG con Se i componenti sono stati costruiti e collegati correttamente, l'output sull'oscilloscopio dovrebbe apparire come quello nell'immagine.

Passaggio 6: configurazione della scheda DAQ

Sopra si può vedere la scheda DAQ. Collegarlo al retro del computer per accenderlo e posizionare l'ingresso analogico isolato nel canale 8 della scheda (ACH 0/8). Inserire due fili nei fori etichettati "1" e "2" dell'ingresso analogico isolato. Configurare il generatore di funzioni per emettere un segnale ECG di 1Hz con un Vpp di 500mV e un offset di 0V. Collegare l'uscita del generatore di funzioni ai fili posti nell'ingresso analogico isolato.

Passaggio 7: aprire LabView, creare un nuovo progetto e configurare l'assistente DAQ

Apri il software LabView e crea un nuovo progetto e apri un nuovo VI nel menu a discesa dei file. Fare clic con il tasto destro sulla pagina per aprire una finestra del componente. Cerca "DAQ Assistant Input" e trascinalo sullo schermo. Questo aprirà automaticamente la prima finestra.

Selezionare Acquisisci segnali > Ingresso analogico > Tensione. Questo farà apparire la seconda finestra.

Seleziona ai8 perché hai messo il tuo ingresso analogico isolato nel canale 8. Seleziona Fine per aprire l'ultima finestra.

Cambia la modalità di acquisizione su Campioni continui, Campioni da leggere su 2k e Frequenza su 1kHz. Quindi seleziona Esegui nella parte superiore della finestra e dovrebbe apparire un output come quello visto sopra. Se il segnale ECG è invertito, è sufficiente invertire i collegamenti dal generatore di funzioni alla scheda DAQ. Questo dimostra che stai acquisendo con successo un segnale ECG! (Yay!) Ora devi codificarlo per analizzarlo!

Passaggio 8: codifica LabView per analizzare i componenti del segnale ECG e calcolare il battito cardiaco

Usa i simboli nell'immagine in LabView

Hai già posizionato l'assistente DAQ. L'assistente DAQ prende il segnale in ingresso, che è un segnale di tensione analogico, simulato da un generatore di funzioni o ricevuto direttamente da una persona collegata a elettrodi opportunamente posizionati. Prende quindi questo segnale e lo fa passare attraverso un convertitore A/D con campionamento continuo e parametri di 2000 campioni da leggere, una frequenza di campionamento di 1 kHz e con valori di tensione massima e minima rispettivamente di 10V e -10V. Questo segnale acquisito viene quindi emesso su un grafico in modo che possa essere visto visivamente. Prende anche questa forma d'onda convertita e aggiunge 5, per assicurarsi che tenga conto di un offset negativo e viene quindi moltiplicato per 200 per rendere i picchi più distinti, più grandi e più facili da analizzare. Quindi determina il valore massimo e minimo della forma d'onda all'interno della finestra data di 2,5 secondi attraverso l'operando max/min. Il valore massimo calcolato deve essere moltiplicato per una percentuale che può essere modificata ma di solito è 90% (0,9). Questo valore viene quindi aggiunto al valore minimo e inviato all'operando di rilevamento del picco come soglia. Di conseguenza, ogni punto del grafico della forma d'onda che supera questa soglia viene definito come picco e salvato come matrice di picchi nell'operatore del rilevatore di picco. Questa matrice di picchi viene quindi inviata a due diverse funzioni. Una di queste funzioni riceve sia l'array di picco che l'output della forma d'onda dall'operatore di valore massimo. All'interno di questa funzione, dt, questi due ingressi vengono convertiti in un valore temporale per ciascuno dei picchi. La seconda funzione consiste di due operatori indice che prendono le uscite di posizione della funzione di rilevamento del picco e le indicizzano separatamente per ottenere le posizioni del picco 0 e del picco primo. La differenza tra queste due posizioni viene calcolata dall'operatore meno e quindi moltiplicata per i valori temporali ottenuti dalla funzione dt. Questo emette il periodo, o il tempo tra due picchi in secondi. Per definizione, 60 diviso per il periodo dà BPM. Questo valore viene quindi eseguito attraverso un operando assoluto per assicurarsi che l'output sia sempre positivo e viene quindi arrotondato al numero intero più vicino. Questo è il passaggio finale nel calcolo e infine nell'output della frequenza cardiaca sulla stessa schermata dell'output della forma d'onda. Alla fine questo è come dovrebbe apparire lo schema a blocchi della prima immagine.

Dopo aver completato lo schema a blocchi, se esegui il programma dovresti ottenere l'output raffigurato.

Passaggio 9: combinare il circuito e i componenti LabView e collegarsi a una persona reale

Adesso per la parte divertente! Combinando il tuo bellissimo circuito e il programma LabView per acquisire un vero ECG e calcolarne la frequenza cardiaca. Per modificare il circuito per conformarsi a un essere umano e produrre un segnale valido, il guadagno dell'amplificatore della strumentazione deve essere ridotto a un guadagno di 100. Ciò è dovuto al fatto che quando è collegato a una persona, c'è un offset che quindi satura l'amplificatore operazionale. Riducendo il guadagno, questo ridurrà questo problema. Innanzitutto, il guadagno del primo stadio dell'amplificatore per strumentazione viene modificato in un guadagno di 4 in modo che il guadagno complessivo sia 100. Quindi, utilizzando l'equazione 1, R2 viene impostato a 19,5 kΩ e R1 viene trovato come segue:

4 = 1 + 2(19, 500)R1⇒R1= 13 kΩ Quindi, l'amplificatore della strumentazione viene modificato modificando la resistenza di R1 a 13 kΩ come mostrato nel passaggio 2 sulla breadboard precedentemente costruita. L'intero circuito è collegato e il circuito può essere testato utilizzando LabView. L'alimentatore CC Agilent E3631A alimenta gli amplificatori operazionali con un'uscita di +15 V e -15 V che va ai pin 4 e 7. Gli elettrodi ECG sono collegati al soggetto con il cavo positivo (G1) che va alla caviglia sinistra, piombo negativo (G2) che va al polso destro e il terreno (COM) che va alla caviglia destra. L'ingresso umano dovrebbe essere al piedino 3 degli amplificatori operazionali nel primo stadio del circuito con il cavo positivo collegato al piedino 3 del primo amplificatore operazionale e il cavo negativo collegato al piedino 3 del secondo amplificatore operazionale. La massa si collega alla massa della breadboard. L'uscita dell'amplificatore, proveniente dal pin 6 del filtro passa basso, è collegata alla scheda DAQ. Assicurati di essere molto fermo e silenzioso e dovresti ottenere un output in LabView simile a quello nell'immagine.

Questo segnale è ovviamente molto più rumoroso del segnale perfetto simulato dal generatore di funzioni. Di conseguenza la tua frequenza cardiaca salterà molto, ma dovrebbe fluttuare con un intervallo di 60-90 BPM. E il gioco è fatto! Un modo divertente per misurare la nostra frequenza cardiaca costruendo un circuito e codificando un software!