Interface utilisateur virtuelle ECG et fréquence cardiaque : 9 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

Pour cette instructable, nous allons vous montrer comment construire un circuit pour recevoir votre rythme cardiaque et l'afficher sur une interface utilisateur virtuelle (VUI) avec une sortie graphique de votre rythme cardiaque et de votre fréquence cardiaque. Cela nécessite une combinaison relativement simple de composants de circuit et du logiciel LabView pour analyser et sortir les données. Ce n'est pas un dispositif médical. Ceci est à des fins éducatives uniquement en utilisant des signaux simulés. Si vous utilisez ce circuit pour des mesures ECG réelles, assurez-vous que le circuit et les connexions circuit-instrument utilisent des techniques d'isolation appropriées.

Matériaux

Circuit:

• Planche à pain:
• Résistances:
• Condensateurs:
• Amplis opérationnels:
• Fils de circuit (inclus dans le lien Breadboard)
• Pinces crocodiles
• Accords de banane
• Alimentation CC Agilent E3631A
• Générateur de fonctions
• Oscilloscope

LabView:

• Logiciel LabView
• Carte DAQ
• Fils de circuits
• Entrée analogique isolée
• Générateur de fonctions

Étape 1: Déterminez quels filtres et amplificateurs utiliser

Afin de représenter un signal ECG, trois étapes différentes du circuit ont été conçues et mises en œuvre: un amplificateur d'instrumentation, un filtre coupe-bande et un filtre passe-bas. L'amplificateur d'instrumentation amplifie le signal car lorsqu'il est reçu d'un sujet, il est souvent très petit et difficile à voir et à analyser. Le filtre coupe-bande est utilisé pour supprimer le bruit à 60 Hz car un signal ECG ne contient pas de signaux à 60 Hz. Enfin, le filtre passe-bas supprime les fréquences plus élevées pour supprimer le bruit du signal et, en combinaison avec le filtre coupe-bande, n'autorise que les fréquences représentées dans un signal ECG.

Étape 2: Construisez un amplificateur d'instrumentation et testez-le

L'amplificateur doit avoir un gain de 1000 V/V et comme on peut le voir, l'amplificateur est composé de deux étages. Par conséquent, le gain doit être réparti uniformément entre les deux étages, K1 étant le gain du premier étage et K2 étant le gain du deuxième étage. Nous avons déterminé K1 à 40 et K2 à 25. Ce sont des valeurs acceptables car multipliées ensemble, on obtient un gain de 1000 V/V, 40 x 25 = 1000, et elles sont d'un montant comparable, avec un écart de 15 V/V. En utilisant ces valeurs pour le gain, les résistances appropriées peuvent ensuite être calculées. Les équations suivantes sont utilisées pour ces calculs:

Gain de l'étape 1: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Gain de l'étape 2: K2 = -R4R3 (2)

Nous avons choisi arbitrairement une valeur de R1, dans ce cas, c'était 1 kΩ, puis résolu par la suite pour la valeur de R2. En branchant ces valeurs précédentes dans l'équation du gain de l'étage 1, nous obtenons:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19 500 Ω

Il est important de s'assurer que lors du choix des résistances, elles se situent dans la plage des kOhms en raison de la règle empirique selon laquelle plus la résistance est grande, plus la puissance peut se dissiper en toute sécurité sans subir de dommages. Si la résistance est trop petite et que le courant est trop important, la résistance sera endommagée et le circuit lui-même ne pourra pas fonctionner. En suivant le même protocole pour l'étape 2, nous avons choisi arbitrairement une valeur de R3, 1 kΩ, puis résolu pour R4. En branchant les valeurs précédentes dans l'équation pour le gain de l'étage 2, on obtient: 25 = -R4*1000 ⇒R4= 25000 Ω

Le signe négatif est nié car les résistances ne peuvent pas être négatives. Une fois que vous avez ces valeurs, construisez le circuit suivant illustré. Alors testez-le !

L'alimentation CC Agilent E3631A alimente les amplificateurs opérationnels avec une sortie de +15 V et -15 V allant aux broches 4 et 7. Réglez le générateur de fonctions pour qu'il émette une forme d'onde cardiaque avec une fréquence de 1 kHz, un Vpp de 12,7 mV, et un décalage de 0 V. Cette entrée doit être sur la broche 3 des amplificateurs opérationnels du premier étage du circuit. La sortie de l'amplificateur, provenant de la broche 6 de l'amplificateur opérationnel du deuxième étage, est affichée sur la voie 1 de l'oscilloscope et la tension crête à crête est mesurée et enregistrée. Afin de garantir que l'amplificateur d'instrumentation a un gain d'au moins 1000 V/V, la tension crête à crête doit être d'au moins 12,7 V.

Étape 3: Construisez un filtre coupe-bande et testez-le

Le filtre coupe-bande est nécessaire pour éliminer le bruit à 60 Hz du biosignal. En plus de cette exigence, étant donné que ce filtre n'a pas besoin d'inclure d'amplification supplémentaire, le facteur de qualité est défini sur 1. Comme pour l'amplificateur d'instrumentation, nous avons d'abord déterminé les valeurs pour R1, R2, R3 et C en utilisant la conception suivante équations pour un filtre coupe-bande:R1= 1/(2Q⍵0C)

R2= 2Q/(⍵0C)

R3= R1R/(2R1 + R2)

Q = 0/β

= c2 -⍵c1

Où Q = facteur de qualité

⍵0= 2πf0= fréquence centrale en rad/sec

f0= fréquence centrale en Hz

β = bande passante en rad/sec

c1, ⍵c2= fréquences de coupure (rad/sec)

Nous avons choisi arbitrairement une valeur de C, dans ce cas, c'était 0,15 µF, puis résolu par la suite pour la valeur de R1. En branchant les valeurs précédentes répertoriées du facteur de qualité, de la fréquence centrale et de la capacité, nous obtenons:

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

Comme mentionné ci-dessus lors de la discussion de la conception de l'amplificateur d'instrumentation, il est toujours important de s'assurer que lors de la résolution des résistances, elles se situent dans la plage des kOhm afin qu'aucun dommage ne soit causé au circuit. Si lors de la résolution des résistances, l'une est trop petite, une valeur doit être modifiée, telle que la capacité, pour s'assurer que cela ne se produise pas. De la même manière que la résolution de l'équation pour R1, R2 et R3 peut être résolue:

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

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

De plus, résolvez la bande passante afin de l'avoir comme valeur théorique à comparer à la valeur expérimentale plus tard:

1 = (2π60)/β⇒β = 47,12 rad/sec

Une fois que vous connaissez les valeurs de résistance, construisez un circuit sur la planche à pain.

Seul cet étage du circuit doit être testé à ce stade, il ne doit donc pas être connecté à l'amplificateur d'instrumentation. L'alimentation CC Agilent E3631A est utilisée pour alimenter l'amplificateur opérationnel avec une sortie de +15 V et -15 V allant aux broches 4 et 7. Le générateur de fonction est configuré pour produire une forme d'onde sinusoïdale avec une fréquence initiale de 10 Hz, un Vpp de 1 V et un décalage de 0 V. L'entrée positive doit être connectée à R1 et l'entrée négative doit être connectée à la masse. L'entrée doit également être connectée au canal 1 de l'oscilloscope. La sortie du filtre coupe-bande, provenant de la broche 6 de l'amplificateur opérationnel est affichée sur la voie 2 de l'oscilloscope. Un balayage CA est mesuré et enregistré en faisant varier la fréquence de 10 Hz à 100 Hz. La fréquence peut être augmentée par incréments de 10 Hz jusqu'à atteindre une fréquence de 50. Ensuite, des incréments de 2 Hz sont utilisés jusqu'à 59 Hz. Une fois que 59 Hz est atteint, des incréments de 0,1 Hz doivent être pris. Ensuite, après avoir atteint 60 Hz, les incréments peuvent à nouveau être augmentés. Le rapport Vout/Vin et l'angle de phase doivent être enregistrés. Si le rapport Vout/Vin n'est pas inférieur ou égal à -20 dB à 60 Hz, les valeurs de résistance doivent être modifiées pour assurer ce rapport. Un tracé de réponse en fréquence et un tracé de réponse en phase sont ensuite construits à partir de ces données. La réponse en fréquence devrait ressembler à celle du graphique, ce qui prouve que les fréquences autour de 60 Hz sont supprimées, ce que vous voulez !

Étape 4: Construisez un filtre passe-bas et testez-le

La fréquence de coupure du filtre passe-bas est déterminée à 150 Hz. Cette valeur a été choisie car vous souhaitez conserver toutes les fréquences présentes dans l'ECG tout en supprimant l'excès de bruit, spécifiquement trouvé à des fréquences plus élevées. La fréquence de l'onde T se situe dans la plage de 0 à 10 Hz, l'onde P dans la plage de 5 à 30 Hz et le complexe QRS dans la plage de 8 à 50 Hz. Cependant, une conduction ventriculaire anormale est caractérisée par des fréquences plus élevées, généralement supérieures à 70 Hz. Par conséquent, 150 Hz a été choisi comme fréquence de coupure afin de s'assurer que nous pouvons capturer toutes les fréquences, même les fréquences les plus élevées, tout en coupant le bruit à haute fréquence. En plus de la fréquence de coupure de 150 Hz, le facteur de qualité, K, est réglé sur 1 car aucune amplification supplémentaire n'est requise. Nous avons d'abord déterminé les valeurs de R1, R2, R3, R4, C1 et C2 en utilisant les équations de conception suivantes pour un filtre passe-bas:

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

R2= 1/[bC1C2R1⍵c^2]

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

R4=K(R1+R2)

C2 environ 10/fc uF

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

Où K = gain

c= fréquence de coupure (rad/sec)

fc= fréquence de coupure (Hz)

a = coefficient de filtre = 1,414214

b = coefficient de filtre = 1

Parce que le gain est de 1, R3 est remplacé par un circuit ouvert et R4 est remplacé par un court-circuit qui en fait un suiveur de tension. Par conséquent, ces valeurs n'ont pas à être résolues. Nous avons d'abord résolu pour la valeur de C2. En branchant les valeurs précédentes dans cette équation, nous obtenons:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Ensuite, C1 peut être résolu en utilisant la valeur de C2.

C1 < (0,047x10^-6)[1.414214^2 + 4(1)(1 -1)]/4(1)

C1 < 0,024 µF= 0,022 µF

Une fois les valeurs de capacité résolues, R1 et R2 peuvent être calculés comme suit:

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

Avec les bonnes résistances construisez le circuit vu dans le schéma de circuit.

Il s'agit de la dernière étape de la conception globale et doit être construit sur la maquette directement à gauche du filtre coupe-bande avec la sortie du filtre coupe-bande et la tension d'entrée pour le filtre passe-bas. Ce circuit doit être construit en utilisant la même maquette que précédemment, avec les résistances et les capacités correctement calculées, et un amplificateur opérationnel. Une fois le circuit construit en utilisant le schéma de circuit de la figure 3, il est testé. Seul cet étage doit être testé à ce stade, il ne doit donc être connecté ni à l'amplificateur d'instrumentation ni au filtre coupe-bande. Par conséquent, l'alimentation CC Agilent E3631A est utilisée pour alimenter l'amplificateur opérationnel avec une sortie de +15 et -15 V allant aux broches 4 et 7. Le générateur de fonction est configuré pour produire une forme d'onde sinusoïdale avec une fréquence initiale de 10 Hz, un Vpp de 1 V et un décalage de 0 V. L'entrée positive doit être connectée à R1 et l'entrée négative doit être connectée à la masse. L'entrée doit également être connectée au canal 1 de l'oscilloscope. La sortie du filtre coupe-bande, provenant de la broche 6 de l'amplificateur opérationnel est affichée sur la voie 2 de l'oscilloscope. Un balayage CA est mesuré et enregistré en faisant varier la fréquence de 10 Hz à 300 Hz. La fréquence peut être augmentée par incréments de 10 Hz jusqu'à atteindre la fréquence de coupure de 150 Hz. Ensuite, la fréquence doit être augmentée de 5 Hz jusqu'à atteindre 250 Hz. Des incréments plus élevés de 10 Hz peuvent être utilisés pour terminer le balayage. Le rapport Vout/Vin et l'angle de phase sont enregistrés. Si la fréquence de coupure n'est pas de 150 Hz, les valeurs de résistance doivent être modifiées pour s'assurer que cette valeur est bien la fréquence de coupure. Le tracé de la réponse en fréquence devrait ressembler à l'image où vous pouvez voir que la fréquence de coupure est d'environ 150 Hz.

Étape 5: Combinez les 3 composants et simulez l'électrocardiogramme (ECG)

Connectez les trois étapes en ajoutant un fil entre le dernier composant de circuit du composant précédent et le début du composant suivant. Le circuit complet est visible sur le schéma.

À l'aide du générateur de fonctions, simulez un autre signal ECG en Si les composants ont été construits et connectés avec succès, votre sortie sur l'oscilloscope devrait ressembler à celle de l'image.

Étape 6: configuration de la carte DAQ

Au-dessus de la carte DAQ peut être vu. Connectez-le à l'arrière de l'ordinateur pour le mettre sous tension et placez l'entrée analogique isolée dans le canal 8 de la carte (ACH 0/8). Insérez deux fils dans les trous étiquetés « 1 » et « 2 » de l'entrée analogique isolée. Configurez le générateur de fonctions pour qu'il émette un signal ECG de 1 Hz avec une Vpp de 500 mV et un décalage de 0 V. Connectez la sortie du générateur de fonction aux fils placés dans l'entrée analogique isolée.

Étape 7: Ouvrez LabView, créez un nouveau projet et configurez l'assistant DAQ

Ouvrez le logiciel LabView et créez un nouveau projet et ouvrez un nouveau VI dans le menu déroulant du fichier. Faites un clic droit sur la page pour ouvrir une fenêtre de composant. Recherchez « DAQ Assistant Input » et faites-le glisser sur l'écran. Cela ouvrira automatiquement la première fenêtre.

Sélectionnez Acquérir des signaux > Entrée analogique > Tension. Cela ouvrira la deuxième fenêtre.

Sélectionnez ai8 car vous placez votre entrée analogique isolée dans le canal 8. Sélectionnez Terminer pour afficher la dernière fenêtre.

Changez le mode d'acquisition en échantillons continus, les échantillons à lire à 2k et le taux à 1kHz. Ensuite, sélectionnez Exécuter en haut de votre fenêtre et une sortie comme celle vue ci-dessus devrait apparaître. Si le signal ECG est inversé, basculez simplement les connexions du générateur de fonctions vers la carte DAQ. Cela montre que vous êtes en train d'acquérir un signal ECG avec succès ! (Yay !) Maintenant, vous devez le coder pour l'analyser !

Étape 8: Codez LabView pour analyser les composants du signal ECG et calculer le rythme cardiaque

Utilisez les symboles de l'image dans LabView

Vous avez déjà placé l'assistant DAQ. L'assistant DAQ prend le signal d'entrée, qui est un signal de tension analogique, soit simulé par un générateur de fonctions, soit reçu directement d'une personne connectée à des électrodes correctement placées. Il prend ensuite ce signal et le fait passer par un convertisseur A/N avec un échantillonnage continu et des paramètres de 2000 échantillons à lire, un taux d'échantillonnage de 1 kHz et avec des valeurs de tension max et min de 10V et -10V respectivement. Ce signal acquis est ensuite sorti sur un graphique afin qu'il puisse être vu visuellement. Il prend également cette forme d'onde convertie et ajoute 5, pour s'assurer qu'elle tient compte d'un décalage négatif, puis est multipliée par 200 pour rendre les pics plus distincts, plus grands et plus faciles à analyser. Il détermine ensuite les valeurs max et min de la forme d'onde dans la fenêtre donnée de 2,5 secondes via l'opérande max/min. La valeur maximale calculée doit être multipliée par un pourcentage qui peut être modifié mais qui est généralement de 90 % (0,9). Cette valeur est ensuite ajoutée à la valeur minimale et envoyée dans l'opérande de détection de crête en tant que seuil. En conséquence, chaque point du graphique de forme d'onde qui dépasse ce seuil est défini comme un pic et enregistré comme un tableau de pics dans l'opérateur de détection de pics. Ce tableau de pics est ensuite envoyé à deux fonctions différentes. L'une de ces fonctions reçoit à la fois le tableau de crête et la forme d'onde émise par l'opérateur de valeur max. Dans cette fonction, dt, ces deux entrées sont converties en une valeur temporelle pour chacun des pics. La deuxième fonction consiste en deux opérateurs d'index qui prennent les sorties de localisation de la fonction de détection de pic et les indexe séparément pour obtenir les emplacements du 0e pic et du 1er pic. La différence entre ces deux emplacements est calculée par l'opérateur moins puis multipliée par les valeurs temporelles obtenues à partir de la fonction dt. Cela génère la période, ou le temps entre deux pics en secondes. Par définition, 60 divisé par la période donne le BPM. Cette valeur est ensuite passée par un opérande absolu pour s'assurer que la sortie est toujours positive et est ensuite arrondie au nombre entier le plus proche. Il s'agit de la dernière étape du calcul et de la sortie finale de la fréquence cardiaque sur le même écran que la sortie de la forme d'onde. À la fin, voici à quoi le diagramme devrait ressembler à la première image.

Après avoir terminé le diagramme, si vous exécutez le programme, vous devriez obtenir la sortie illustrée.

Étape 9: Combinez le circuit et les composants LabView et connectez-vous à une personne réelle

Maintenant pour la partie amusante ! Associer votre beau circuit et le programme LabView pour acquérir un véritable ECG et calculer sa fréquence cardiaque. Afin de modifier le circuit pour se conformer à un humain et produire un signal viable, le gain de l'amplificateur d'instrumentation doit être réduit à un gain de 100. Cela est dû au fait que lorsqu'il est connecté à une personne, il existe un décalage qui puis sature l'amplificateur opérationnel. En diminuant le gain, cela réduira ce problème. Tout d'abord, le gain du premier étage de l'amplificateur d'instrumentation est modifié à un gain de 4 de sorte que le gain global est de 100. Ensuite, à l'aide de l'équation 1, R2 est réglé sur 19,5 kΩ et R1 se trouve comme suit:

4 = 1 + 2(19, 500)R1⇒R1= 13 kΩ Ensuite, l'amplificateur d'instrumentation est modifié en changeant la résistance de R1 à 13 kΩ comme indiqué à l'étape 2 sur la maquette précédemment construite. L'ensemble du circuit est connecté et le circuit peut être testé à l'aide de LabView. L'alimentation CC Agilent E3631A alimente les amplificateurs opérationnels avec une sortie de +15 V et -15 V allant aux broches 4 et 7. Les électrodes ECG sont connectées au sujet avec le fil positif (G1) allant à la cheville gauche, le plomb négatif (G2) allant au poignet droit, et le sol (COM) allant à la cheville droite. L'entrée humaine doit être à la broche 3 des amplificateurs opérationnels du premier étage du circuit avec le fil positif connecté à la broche 3 du premier amplificateur opérationnel et le fil négatif connecté à la broche 3 du deuxième amplificateur opérationnel. Le sol se connecte au sol de la planche à pain. La sortie de l'amplificateur, provenant de la broche 6 du filtre passe-bas, est reliée à la carte DAQ. Assurez-vous d'être très calme et silencieux et vous devriez obtenir une sortie dans LabView qui ressemble à celle de l'image.

Ce signal est évidemment beaucoup plus bruité que le signal parfait simulé par le générateur de fonctions. En conséquence, votre fréquence cardiaque augmentera beaucoup, mais devrait fluctuer dans une plage de 60 à 90 BPM. Et voila! Une façon amusante de mesurer notre propre fréquence cardiaque en construisant un circuit et en codant un logiciel !