واجهة المستخدم الافتراضية لتخطيط القلب ومعدل ضربات القلب: 9 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:41

بالنسبة إلى هذا التوجيه ، سنوضح لك كيفية إنشاء دائرة لتلقي ضربات قلبك وعرضها على واجهة مستخدم افتراضية (VUI) مع إخراج رسومي لنبضات قلبك ومعدل ضربات قلبك. يتطلب هذا مزيجًا بسيطًا نسبيًا من مكونات الدائرة وبرنامج LabView لتحليل البيانات وإخراجها. هذا ليس جهاز طبي. هذا للأغراض التعليمية فقط باستخدام إشارات محاكاة. في حالة استخدام هذه الدائرة لإجراء قياسات حقيقية لمخطط كهربية القلب ، يرجى التأكد من أن الدائرة والتوصيلات من الدائرة إلى الجهاز تستخدم تقنيات عزل مناسبة.

المواد

دائرة كهربائية:

• اللوح:
• المقاومات:
• المكثفات:
• Op Amps:
• أسلاك الدائرة (مضمنة في رابط اللوح)
• مقاطع التمساح
• حبال الموز
• Agilent E3631A DC امدادات الطاقة
• وظيفة المولد
• راسم الذبذبات

LabView:

• برنامج LabView
• مجلس دق
• أسلاك الدائرة
• المدخلات التناظرية المعزولة
• وظيفة المولد

الخطوة 1: تحديد المرشحات ومضخمات الصوت لاستخدامها

من أجل تمثيل إشارة ECG ، تم تصميم وتنفيذ ثلاث مراحل مختلفة من الدائرة: مكبر للصوت ، ومرشح الشق ، ومرشح تمرير منخفض. يقوم مضخم الأجهزة بتضخيم الإشارة كما هو الحال عند استقبالها من موضوع ما ، غالبًا ما يكون صغيرًا جدًا ويصعب رؤيته وتحليله. يتم استخدام مرشح القطع لإزالة الضوضاء عند 60 هرتز لأن إشارة تخطيط القلب لا تحتوي على إشارات عند 60 هرتز. أخيرًا ، يزيل مرشح الترددات المنخفضة الترددات الأعلى لإزالة الضوضاء من الإشارة وبالاقتران مع مرشح القطع يسمح فقط بالترددات التي يتم تمثيلها في إشارة ECG.

الخطوة 2: بناء مضخم الأجهزة واختباره

مكبر الصوت مطلوب للحصول على مكاسب 1000 V / V وكما يمكن رؤيته ، فإن مكبر الصوت يتكون من مرحلتين. لذلك ، يجب توزيع الكسب بالتساوي بين المرحلتين ، حيث يكون K1 هو مكسب المرحلة الأولى و K2 هو مكسب المرحلة الثانية. لقد حددنا أن K1 تساوي 40 و K2 لتكون 25. هذه قيم مقبولة نظرًا لحقيقة أنه عند ضربها معًا ، يتم الحصول على ربح قدره 1000 فولت / فولت ، 40 × 25 = 1000 ، وهي قيم قابلة للمقارنة ، مع تباين 15 فولت / فولت. باستخدام هذه القيم من أجل الكسب ، يمكن بعد ذلك حساب المقاومة المناسبة. تستخدم المعادلات التالية لهذه الحسابات:

ربح المرحلة 1: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

ربح المرحلة 2: K2 = -R4R3 (2)

اخترنا بشكل تعسفي قيمة R1 ، في هذه الحالة كانت 1 كيلو أوم ، ثم تم حلها لاحقًا بقيمة R2. بإدخال هذه القيم السابقة في المعادلة لكسب المرحلة 1 ، نحصل على:

40 = 1 + 2R2 * 1000⇒R2 = 19 ، 500 أوم

من المهم التأكد من أنه عند اختيار المقاومات ، تكون في نطاق kOhm نظرًا لقاعدة الإبهام القائلة بأنه كلما كان المقاوم أكبر ، يمكن أن تتبدد القوة بأمان دون التعرض لأضرار. إذا كانت المقاومة صغيرة جدًا وكان هناك تيار كبير جدًا ، فسيكون هناك ضرر للمقاومة ، علاوة على ذلك ، لن تتمكن الدائرة نفسها من العمل. باتباع نفس البروتوكول للمرحلة 2 ، اخترنا بشكل تعسفي قيمة R3 ، 1 kΩ ، ثم حلنا لـ R4. بإدخال القيم السابقة في المعادلة لكسب المرحلة 2 ، نحصل على: 25 = -R4 * 1000 ⇒R4 = 25000 Ω

يتم إبطال الإشارة السلبية لأن المقاومة لا يمكن أن تكون سلبية. بمجرد الحصول على هذه القيم ، قم ببناء الدائرة التالية في الصورة. ثم اختبرها!

يقوم Agilent E3631A DC Power Supply بتشغيل مضخمات التشغيل بإخراج +15 فولت و -15 فولت مع الانتقال إلى المسامير 4 و 7. اضبط مولد الوظيفة لإخراج شكل موجة قلبية بتردد 1 كيلو هرتز ، Vpp 12.7 mV ، وإزاحة قدرها 0 V. يجب أن يكون هذا الإدخال هو السن 3 من مضخمات التشغيل في المرحلة الأولى من الدائرة. يتم عرض خرج مكبر الصوت ، القادم من السن 6 لمكبر التشغيل للمرحلة الثانية ، على القناة 1 من الذبذبات ويتم قياس الجهد من الذروة إلى الذروة وتسجيلها. من أجل التأكد من أن مكبر الأجهزة لديه ربح لا يقل عن 1000 فولت / فولت ، يجب أن يكون الجهد من الذروة إلى الذروة 12.7 فولت على الأقل.

الخطوة 3: بناء مرشح الشق واختباره

مرشح القطع مطلوب لإزالة ضوضاء 60 هرتز من الإشارة الحيوية. بالإضافة إلى هذا المطلب ، نظرًا لأن هذا المرشح لا يحتاج إلى أي تضخيم إضافي ، يتم تعيين عامل الجودة إلى 1. كما هو الحال مع مضخم الأجهزة ، حددنا أولاً قيم R1 و R2 و R3 و C باستخدام التصميم التالي معادلات مرشح الدرجة: R1 = 1 / (2Q⍵0C)

R2 = 2Q / (⍵0C)

R3 = R1R / (2R1 + R2)

س = ⍵0 / β

β = ⍵c2 -c1

حيث Q = عامل الجودة

⍵0 = 2πf0 = التردد المركزي في راديان / ثانية

f0 = التردد المركزي بالهرتز

β = عرض النطاق الترددي في راد / ثانية

⍵c1، ⍵c2 = ترددات القطع (راد / ثانية)

اخترنا بشكل تعسفي قيمة C ، في هذه الحالة كانت 0.15 µF ، ثم تم حلها لاحقًا بقيمة R1. بتوصيل القيم السابقة المدرجة لعامل الجودة والتردد المركزي والسعة ، نحصل على:

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

كما هو مذكور أعلاه عند مناقشة تصميم مضخم الأجهزة ، لا يزال من المهم التأكد من أنه عند حل المقاومة التي تكون في نطاق kOhm حتى لا يحدث أي ضرر للدائرة. إذا كان أحدها صغيرًا جدًا عند البحث عن المقاومة ، فيجب تغيير القيمة ، مثل السعة ، لضمان عدم حدوث ذلك. على غرار حل معادلة R1 و R2 و R3 يمكن حلها:

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

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

بالإضافة إلى ذلك ، قم بحل النطاق الترددي من أجل الحصول عليه كقيمة نظرية لمقارنتها بالقيمة التجريبية لاحقًا:

1 = (2π60) / β⇒β = 47.12 راديان / ثانية

بمجرد معرفة قيم المقاومة ، قم ببناء دائرة على اللوح.

يتم اختبار هذه المرحلة فقط من الدائرة في هذه المرحلة ، لذلك لا ينبغي توصيلها بمضخم الأجهزة. يستخدم Agilent E3631A DC Power Supply لتشغيل مضخم التشغيل بإخراج +15 فولت و -15 فولت من خلال المسامير 4 و 7. تم تعيين مولد الوظيفة لإخراج شكل موجة جيبية بتردد أولي يبلغ 10 هرتز ، أ Vpp لـ 1 V ، وإزاحة 0 V. يجب توصيل الإدخال الإيجابي بـ R1 ويجب توصيل الإدخال السالب بالأرض. يجب أيضًا توصيل الإدخال بالقناة 1 من الذبذبات. يتم عرض خرج مرشح القطع ، القادم من السن 6 لمكبر التشغيل على القناة 2 من الذبذبات. يتم قياس عملية مسح التيار المتردد وتسجيلها عن طريق تغيير التردد من 10 هرتز إلى 100 هرتز. يمكن زيادة التردد بزيادات قدرها 10 هرتز حتى الوصول إلى تردد 50. ثم يتم استخدام زيادات 2 هرتز حتى 59 هرتز. بمجرد الوصول إلى 59 هرتز ، يجب أخذ زيادات قدرها 0.1 هرتز. بعد ذلك ، بعد الوصول إلى 60 هرتز ، يمكن زيادة الزيادات مرة أخرى. يتم تسجيل نسبة Vout / Vin وزاوية المرحلة. إذا كانت نسبة Vout / Vin ليست أقل من أو تساوي -20 ديسيبل عند 60 هرتز ، فيجب تغيير قيم المقاومة لضمان هذه النسبة. ثم يتم إنشاء مخطط استجابة التردد ومخطط استجابة الطور من هذه البيانات. يجب أن تبدو استجابة التردد هكذا في الرسم البياني ، مما يثبت إزالة الترددات حول 60 هرتز ، وهذا ما تريده!

الخطوة 4: إنشاء مرشح تمرير منخفض واختباره

يتم تحديد تردد القطع لمرشح الترددات المنخفضة على أنه 150 هرتز. تم اختيار هذه القيمة لأنك تريد الاحتفاظ بجميع الترددات الموجودة في مخطط كهربية القلب أثناء إزالة الضوضاء الزائدة ، الموجودة تحديدًا في الترددات الأعلى. يقع تردد الموجة T في النطاق من 0-10 هرتز ، والموجة P في النطاق من 5-30 هرتز ، ومركب QRS في النطاق 8-50 هرتز. ومع ذلك ، يتميز التوصيل البطيني غير الطبيعي بترددات أعلى ، عادةً ما تكون أعلى من 70 هرتز. لذلك ، تم اختيار 150 هرتز كتردد قطع من أجل ضمان أنه يمكننا التقاط جميع الترددات ، حتى الترددات الأعلى ، مع قطع ضوضاء التردد العالي. بالإضافة إلى تردد القطع البالغ 150 هرتز ، يتم تعيين عامل الجودة ، K ، على 1 نظرًا لعدم الحاجة إلى مزيد من التضخيم. حددنا أولاً قيم R1 و R2 و R3 و R4 و C1 و C2 باستخدام معادلات التصميم التالية لمرشح تمرير منخفض:

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

R2 = 1 / [bC1C2R1⍵c ^ 2]

R3 = K (R1 + R2) / (K -1) عندما K> 1

R4 = K (R1 + R2)

C2 حوالي 10 / fc uF

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

حيث K = كسب

⍵c = تردد القطع (راد / ثانية)

fc = تردد القطع (هرتز)

أ = معامل المرشح = 1.414214

ب = معامل المرشح = 1

نظرًا لأن الكسب هو 1 ، يتم استبدال R3 بدائرة مفتوحة ويتم استبدال R4 بدائرة قصيرة مما يجعله تابعًا للجهد. لذلك ، لا يجب حل هذه القيم. قمنا أولاً بحل قيمة C2. بالتعويض بالقيم السابقة في تلك المعادلة ، نحصل على:

C2 = 10/150 فائق التوهج = 0.047 فائق التوهج

بعد ذلك ، يمكن حل C1 باستخدام قيمة C2.

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

C1 <0.024 فائق التوهج = 0.022 فائق التوهج

بمجرد حل قيم السعة لـ ، يمكن حساب R1 و R2 على النحو التالي:

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

باستخدام المقاومات الصحيحة ، قم ببناء الدائرة الموضحة في مخطط الدائرة.

هذه هي المرحلة الأخيرة من التصميم العام ويجب بناؤها على اللوح مباشرة على يسار مرشح الشق مع إخراج مرشح الشق والجهد المدخل لمرشح التمرير المنخفض. يتم إنشاء هذه الدائرة باستخدام نفس اللوح كما في السابق ، مع المقاومات والسعات المحسوبة بشكل صحيح ومضخم تشغيلي واحد. بمجرد إنشاء الدائرة باستخدام مخطط الدائرة في الشكل 3 ، يتم اختبارها. يتم اختبار هذه المرحلة فقط في هذه المرحلة ، لذلك لا ينبغي توصيلها إما بمضخم الأجهزة أو مرشح الشق. لذلك ، يتم استخدام Agilent E3631A DC Power Supply لتشغيل مضخم التشغيل بإخراج +15 و -15 فولت يذهب إلى السنون 4 و 7. يتم تعيين مولد الوظيفة لإخراج شكل موجة جيبية بتردد أولي يبلغ 10 هرتز ، a Vpp من 1 V ، وإزاحة 0 V. يجب توصيل المدخلات الإيجابية بـ R1 ويجب توصيل الإدخال السالب بالأرض. يجب أيضًا توصيل الإدخال بالقناة 1 من الذبذبات. يتم عرض خرج مرشح القطع ، القادم من السن 6 لمكبر التشغيل على القناة 2 من الذبذبات. يتم قياس عملية مسح التيار المتردد وتسجيلها عن طريق تغيير التردد من 10 هرتز إلى 300 هرتز. يمكن زيادة التردد بزيادات قدرها 10 هرتز حتى الوصول إلى تردد القطع البالغ 150 هرتز. بعد ذلك ، يجب زيادة التردد بمقدار 5 هرتز حتى يصل إلى 250 هرتز. يمكن استخدام الزيادات الأعلى بمقدار 10 هرتز لإنهاء عملية المسح. يتم تسجيل نسبة Vout / Vin وزاوية المرحلة. إذا لم يكن تردد القطع 150 هرتز ، فيجب تغيير قيم المقاومة للتأكد من أن هذه القيمة هي في الواقع تردد القطع. يجب أن يبدو مخطط استجابة التردد مثل الصورة حيث يمكنك أن ترى أن تردد القطع يبلغ حوالي 150 هرتز.

الخطوة 5: الجمع بين جميع المكونات الثلاثة ومحاكاة مخطط كهربية القلب (ECG)

قم بتوصيل جميع المراحل الثلاث عن طريق إضافة سلك بين آخر مكون للدائرة من المكون السابق إلى بداية المكون التالي. تظهر الدائرة الكاملة في الرسم التخطيطي.

باستخدام مولد الوظيفة ، قم بمحاكاة إشارة ECG أخرى بواسطة إذا تم بناء المكونات وتوصيلها بنجاح ، يجب أن يبدو إخراجك على مرسمة الذبذبات هكذا في الصورة.

الخطوة السادسة: إعداد لوحة DAQ

يمكن رؤية لوحة DAQ. قم بتوصيله بالجزء الخلفي من الكمبيوتر لتشغيله ووضع الإدخال التناظري المعزول في القناة 8 من اللوحة (ACH 0/8). أدخل سلكين في الفتحات المسمى "1" و "2" للإدخال التناظري المعزول. قم بإعداد مولد الوظيفة لإخراج إشارة ECG 1 هرتز مع Vpp من 500mV وإزاحة 0V. قم بتوصيل خرج مولد الوظيفة بالأسلاك الموضوعة في الإدخال التناظري المعزول.

الخطوة 7: افتح LabView ، أنشئ مشروعًا جديدًا وقم بإعداد مساعد DAQ

افتح برنامج LabView وأنشئ مشروعًا جديدًا وافتح ملف VI جديدًا ضمن القائمة المنسدلة للملف. انقر بزر الماوس الأيمن على الصفحة لفتح نافذة مكون. ابحث عن "DAQ Assistant Input" واسحبه على الشاشة. سيؤدي هذا تلقائيًا إلى سحب النافذة الأولى.

حدد Acquire Signals> Analog Input> Voltage. سيؤدي هذا إلى سحب النافذة الثانية.

حدد ai8 لأنك أدخلت المدخلات التناظرية المعزولة في القناة 8. حدد إنهاء لسحب النافذة الأخيرة.

قم بتغيير وضع الاستحواذ إلى عينات مستمرة ، والعينات المراد قراءتها إلى 2k والمعدل إلى 1 كيلو هرتز. ثم حدد تشغيل في الجزء العلوي من النافذة الخاصة بك ويجب أن يظهر إخراج مثل ذلك الموضح أعلاه. إذا كانت إشارة مخطط كهربية القلب معكوسة ، فما عليك سوى تبديل التوصيلات من مولد الوظيفة إلى لوحة DAQ الموجودة حولها. هذا يدل على أنك تحصل على إشارة ECG بنجاح! (رائع!) الآن أنت بحاجة إلى ترميزها لتحليلها!

الخطوة 8: Code LabView لتحليل مكونات إشارة ECG وحساب نبضات القلب

استخدم الرموز الموجودة في الصورة في LabView

لقد قمت بالفعل بتعيين مساعد DAQ. يأخذ مساعد DAQ إشارة الإدخال ، وهي إشارة جهد تناظرية ، إما محاكية بواسطة مولد وظيفة أو يتم استقبالها مباشرة من شخص متصل بأقطاب كهربائية موضوعة بشكل مناسب. ثم يأخذ هذه الإشارة ويقوم بتشغيلها من خلال محول A / D مع أخذ عينات مستمر ومعلمات من 2000 عينة ليتم قراءتها ، ومعدل أخذ عينات 1 كيلو هرتز وقيم الجهد الأقصى والدنيا هي 10V و -10V على التوالي. ثم يتم إخراج هذه الإشارة المكتسبة على الرسم البياني بحيث يمكن رؤيتها بصريًا. كما يأخذ شكل الموجة المحول هذا ويضيف 5 ، للتأكد من أنه يمثل إزاحة سلبية ثم يتم ضربه في 200 لجعل القمم أكثر تميزًا وأكبر وأسهل في التحليل. ثم يحدد القيمة القصوى والدقيقة لشكل الموجة ضمن النافذة المحددة التي تبلغ 2.5 ثانية من خلال معامل max / min. يجب ضرب الحد الأقصى للقيمة المحسوبة في النسبة المئوية التي يمكن تغييرها ولكنها عادة ما تكون 90٪ (0.9). تضاف هذه القيمة بعد ذلك إلى القيمة الدنيا ويتم إرسالها إلى معامل اكتشاف الذروة كعتبة. نتيجة لذلك ، يتم تعريف كل نقطة في الرسم البياني لشكل الموجة التي تتجاوز هذه العتبة على أنها ذروة ويتم حفظها كمصفوفة من القمم في مشغل كاشف الذروة. ثم يتم إرسال هذه المجموعة من القمم إلى وظيفتين مختلفتين. تستقبل إحدى هذه الوظائف كلاً من صفيف الذروة وإخراج الموجة بواسطة مشغل القيمة القصوى. ضمن هذه الوظيفة ، dt ، يتم تحويل هذين المدخلين إلى قيمة زمنية لكل من القمم. تتكون الوظيفة الثانية من مشغلي الفهرس اللذين يأخذان مخرجات الموقع لوظيفة الكشف عن الذروة ويقومان بفهرستها بشكل منفصل للحصول على مواقع الذروة 0 والذروة الأولى. يتم حساب الفرق بين هذين الموقعين بواسطة عامل التشغيل الناقص ثم يتم ضربه في قيم الوقت التي تم الحصول عليها من دالة dt. ينتج عن ذلك الفترة الزمنية أو الوقت بين قمتين بالثواني. حسب التعريف ، يعطي 60 مقسومًا على الفترة BPM. يتم بعد ذلك تشغيل هذه القيمة من خلال معامل مطلق للتأكد من أن الناتج دائمًا موجب ومن ثم يتم تقريبه إلى أقرب رقم صحيح. هذه هي الخطوة الأخيرة في حساب وأخرج معدل ضربات القلب في النهاية على نفس الشاشة مثل خرج الموجة. في النهاية ، هذا هو الشكل الذي يجب أن يبدو عليه مخطط الكتلة في الصورة الأولى.

بعد الانتهاء من مخطط الكتلة ، إذا قمت بتشغيل البرنامج ، يجب أن تحصل على صورة للإخراج.

الخطوة 9: ادمج الدائرة ومكونات LabView واربطها بشخص حقيقي

الآن الجزء الممتع! الجمع بين دائرتك الجميلة وبرنامج LabView للحصول على مخطط قلب حقيقي وحساب معدل ضربات القلب. من أجل تعديل الدائرة لتتوافق مع الإنسان وتنتج إشارة قابلة للحياة ، يجب تقليل مكاسب مضخم الأجهزة إلى 100. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه عند الاتصال بشخص ما ، يكون هناك إزاحة ثم يشبع مكبر التشغيل. من خلال تقليل الكسب ، سيؤدي ذلك إلى تقليل هذه المشكلة. أولاً ، يتم تغيير كسب المرحلة الأولى من مضخم الأجهزة إلى كسب 4 بحيث يكون الكسب الإجمالي 100. ثم ، باستخدام المعادلة 1 ، يتم تعيين R2 على 19.5 kΩ ، ويتم العثور على R1 على النحو التالي:

4 = 1 + 2 (19 ، 500) R1⇒R1 = 13 kΩ بعد ذلك ، يتم تعديل مضخم الأجهزة عن طريق تغيير مقاومة R1 إلى 13 kΩ كما هو موضح في الخطوة 2 على اللوح المبني مسبقًا. الدائرة بأكملها متصلة ويمكن اختبار الدائرة باستخدام LabView. يقوم Agilent E3631A DC Power Supply بتشغيل مضخمات التشغيل بإخراج +15 فولت و -15 فولت يذهب إلى المسامير 4 و 7. الرصاص السالب (G2) يذهب إلى المعصم الأيمن ، والأرض (COM) تذهب إلى الكاحل الأيمن. يجب أن يكون الإدخال البشري هو دبوس 3 من مضخمات التشغيل في المرحلة الأولى من الدائرة مع توصيل السلك الموجب بالدبوس 3 من مكبر التشغيل الأول والرصاص السالب المتصل بالدبوس 3 من مكبر التشغيل الثاني. الأرض تتصل بأرض اللوح. يتم توصيل خرج مكبر الصوت ، القادم من السن 6 من مرشح الترددات المنخفضة ، بلوحة DAQ. تأكد من أن تكون ساكنًا وهادئًا للغاية ويجب أن تحصل على إخراج في LabView يشبه ذلك الموجود في الصورة.

من الواضح أن هذه الإشارة صاخبة أكثر بكثير من الإشارة المثالية التي يحاكيها مولد الوظيفة. نتيجة لذلك ، سوف يقفز معدل ضربات قلبك كثيرًا ولكن يجب أن يتقلب مع نطاق 60-90 نبضة في الدقيقة. وهناك لديك! طريقة ممتعة لقياس معدل ضربات القلب لدينا من خلال بناء دائرة وترميز بعض البرامج!