Điện tâm đồ tự động- BME 305 Tín dụng bổ sung cho dự án cuối cùng: 7 bước

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

Điện tâm đồ (ECG hoặc EKG) được sử dụng để đo các tín hiệu điện do tim đập tạo ra và nó đóng một vai trò lớn trong việc chẩn đoán và tiên lượng bệnh tim mạch. Một số thông tin thu được từ ECG bao gồm nhịp tim của bệnh nhân cũng như cường độ của nhịp đập. Mỗi dạng sóng ECG được tạo ra bởi sự lặp lại của chu kỳ tim. Dữ liệu được thu thập thông qua điện cực đặt trên da của bệnh nhân. Tín hiệu sau đó được khuếch đại và nhiễu được lọc ra để phân tích dữ liệu hiện tại một cách chính xác. Sử dụng dữ liệu thu thập được, các nhà nghiên cứu không chỉ có thể chẩn đoán các bệnh tim mạch, mà điện tâm đồ còn đóng một vai trò lớn trong việc tăng cường hiểu biết và nhận biết các bệnh khó hiểu hơn. Việc thực hiện điện tâm đồ đã cải thiện đáng kể việc điều trị các tình trạng như rối loạn nhịp tim và thiếu máu cục bộ [1].

Quân nhu:

Có thể hướng dẫn này để mô phỏng một thiết bị ECG ảo và do đó tất cả những gì cần thiết để tiến hành thí nghiệm này là một máy tính đang hoạt động. Phần mềm được sử dụng để mô phỏng sau đây là LTspice XVII và nó có thể được tải xuống từ internet.

Bước 1: Bước 1: Bộ khuếch đại thiết bị đo

Thành phần đầu tiên của mạch là bộ khuếch đại thiết bị đo. Như tên cho thấy, bộ khuếch đại thiết bị đo được sử dụng để tăng cường độ của tín hiệu. Tín hiệu ECG không được khuếch đại hoặc lọc có biên độ khoảng 5 mV. Để lọc tín hiệu, nó cần được khuếch đại. Độ lợi hợp lý cho mạch này sẽ phải lớn để tín hiệu điện sinh học được lọc một cách thích hợp. Do đó, mức khuếch đại của mạch này sẽ vào khoảng 1000. Hình thức chung của bộ khuếch đại thiết bị đo được đưa vào các hình ảnh cho bước này [2]. Ngoài các phương trình cho độ lợi của mạch, các giá trị đã được tính toán cho mỗi thành phần được hiển thị trong hình ảnh thứ hai [3].

Độ lợi là âm vì điện áp được cung cấp cho chân đảo ngược của bộ khuếch đại hoạt động. Các giá trị hiển thị trong hình ảnh thứ hai được tìm thấy bằng cách thiết lập các giá trị của R1, R2, R3 và đạt được như các giá trị mong muốn và sau đó giải cho giá trị cuối cùng R4. Hình ảnh thứ ba cho bước này là mạch mô phỏng trong LTspice, hoàn chỉnh với các giá trị chính xác.

Để kiểm tra mạch, cả tổng thể và từng thành phần riêng lẻ, nên chạy phân tích dòng điện xoay chiều (AC). Dạng phân tích này xem xét độ lớn của tín hiệu khi tần số thay đổi. Do đó, kiểu phân tích quét phân tích AC nên là một thập kỷ vì nó thiết lập tỷ lệ trục x và thuận lợi hơn cho việc đọc chính xác kết quả. Mỗi thập kỷ, cần có 100 điểm dữ liệu. Điều này sẽ truyền tải chính xác các xu hướng trong dữ liệu mà không làm chương trình hoạt động quá mức, đảm bảo hiệu quả. Các giá trị tần số bắt đầu và dừng phải bao gồm cả các tần số bị cắt. Do đó, tần số bắt đầu hợp lý là 0,01 Hz và tần số dừng hợp lý là 1kHz. Đối với bộ khuếch đại thiết bị đo, chức năng đầu vào là một sóng hình sin với cường độ 5 mV. 5 mV tương ứng với biên độ tiêu chuẩn của tín hiệu điện tâm đồ [4]. Sóng hình sin bắt chước các khía cạnh thay đổi của tín hiệu điện tâm đồ. Tất cả các cài đặt phân tích này, ngoại trừ điện áp đầu vào, đều giống nhau đối với mỗi thành phần.

Hình ảnh cuối cùng là biểu đồ đáp ứng tần số cho bộ khuếch đại thiết bị đo. Điều này cho thấy bộ khuếch đại thiết bị đo có thể tăng cường độ của tín hiệu đầu vào khoảng 1000. Độ lợi mong muốn đối với bộ khuếch đại thiết bị đo là 1000. Độ lợi của bộ khuếch đại thiết bị mô phỏng là 999,6, được tìm thấy bằng cách sử dụng phương trình được hiển thị trong bức ảnh thứ hai. Sai số phần trăm giữa độ lợi mong muốn và độ lợi thực nghiệm là 0,04%. Đây là mức sai số phần trăm có thể chấp nhận được.

Bước 2: Bước 2: Bộ lọc Notch

Thành phần tiếp theo được sử dụng trong mạch ECG là một bộ lọc tích cực. Bộ lọc hoạt động chỉ là bộ lọc yêu cầu nguồn điện để hoạt động. Đối với nhiệm vụ này, bộ lọc hoạt động tốt nhất được sử dụng là bộ lọc khía. Bộ lọc khía được sử dụng để loại bỏ tín hiệu ở một tần số duy nhất hoặc một dải tần số rất hẹp. Trong trường hợp của mạch này, tần số được loại bỏ bằng bộ lọc khía là 60 Hz. 60 Hz là tần số mà đường dây điện hoạt động và do đó là một nguồn nhiễu lớn đối với các thiết bị. Tiếng ồn đường dây điện làm biến dạng tín hiệu y sinh và làm giảm chất lượng của dữ liệu [5]. Hình thức chung của bộ lọc khía được sử dụng cho mạch này được hiển thị trong ảnh đầu tiên cho bước này. Thành phần tích cực của bộ lọc khía là bộ đệm được gắn vào. Bộ đệm được sử dụng để cách ly tín hiệu sau bộ lọc khía. Vì bộ đệm là một phần của bộ lọc và nó cần nguồn điện để hoạt động, bộ lọc khía là thành phần bộ lọc tích cực của mạch này.

Phương trình cho các thành phần điện trở và tụ điện của bộ lọc khía được hiển thị trong ảnh thứ hai [6]. Trong phương trình, fN là tần số được loại bỏ, là 60 Hz. Cũng như bộ khuếch đại thiết bị, giá trị điện trở hoặc tụ điện có thể được đặt thành bất kỳ giá trị nào và giá trị khác được tính bằng phương trình hiển thị trong bức ảnh thứ hai. Đối với bộ lọc này, C được gán giá trị 1 µF và phần còn lại của các giá trị được tìm thấy dựa trên giá trị đó. Giá trị của tụ điện được quyết định dựa trên sự thuận tiện. Bảng trong bức ảnh thứ hai hiển thị các giá trị của 2R, R, 2C và C đã được sử dụng.

Hình ảnh thứ ba cho bước này là mạch lọc notch cuối cùng với các giá trị chính xác. Sử dụng mạch đó, phân tích AC Sweep đã được chạy bằng 5V. 5V tương ứng với điện áp sau khi khuếch đại. Phần còn lại của các thông số phân tích giống như những gì đã nêu trong bước khuếch đại thiết bị đo. Biểu đồ đáp ứng tần số được hiển thị trong bức ảnh cuối cùng. Sử dụng các giá trị và phương trình trong ảnh thứ hai, tần số thực của bộ lọc khía là 61,2 Hz. Giá trị mong muốn cho bộ lọc khía là 60 Hz. Sử dụng phương trình lỗi phần trăm, có sai số 2% giữa bộ lọc mô phỏng và bộ lọc lý thuyết. Đây là mức sai số có thể chấp nhận được.

Bước 3: Bước 3: Bộ lọc thông thấp

Loại bộ phận cuối cùng được sử dụng trong mạch này là bộ lọc thụ động. Như đã đề cập trước đây, bộ lọc thụ động là bộ lọc không yêu cầu nguồn điện để hoạt động. Đối với điện tâm đồ, cả bộ lọc thông cao và thông thấp đều cần thiết để loại bỏ nhiễu khỏi tín hiệu một cách thích hợp. Loại bộ lọc thụ động đầu tiên được thêm vào mạch là bộ lọc thông thấp. Như tên cho thấy, điều này đầu tiên cho phép tín hiệu dưới tần số cắt đi qua [7]. Đối với bộ lọc thông thấp, tần số cắt phải là giới hạn trên của dải tín hiệu. Như đã đề cập trước đây, phạm vi trên của tín hiệu ECG là 150 Hz [2]. Bằng cách đặt giới hạn trên, nhiễu từ các tín hiệu khác sẽ không được sử dụng trong quá trình thu tín hiệu.

Phương trình cho tần số cắt là f = 1 / (2 * pi * R * C). Như với các thành phần mạch trước đó, các giá trị cho R và C có thể được tìm thấy bằng cách cắm vào tần số và cài đặt một trong các giá trị thành phần [7]. Đối với bộ lọc thông thấp, tụ điện được đặt là 1 µF và tần số cắt mong muốn là 150 Hz. Sử dụng phương trình tần số cắt, giá trị của thành phần điện trở được tính là 1 kΩ. Hình ảnh đầu tiên cho bước này là một giản đồ bộ lọc thông thấp hoàn chỉnh.

Các thông số tương tự được xác định cho bộ lọc khía được sử dụng cho Phân tích quét AC của bộ lọc thông thấp, được hiển thị trong hình ảnh thứ hai. Đối với thành phần này, tần số cắt mong muốn là 150Hz và sử dụng Công thức 3, tần số cắt mô phỏng là 159 Hz. Điều này có sai số phần trăm là 6%. Sai số phần trăm cho thành phần này cao hơn mức ưu tiên nhưng các thành phần được chọn để dễ dịch sang mạch vật lý. Đây rõ ràng là một bộ lọc thông thấp, dựa trên biểu đồ đáp ứng tần số trong hình ảnh thứ hai, vì chỉ tín hiệu dưới tần số cắt mới có thể đi qua ở 5 V và khi tần số gần với tần số cắt, điện áp giảm.

Bước 4: Bước 4: Bộ lọc thông cao

Thành phần thụ động thứ hai cho mạch ECG là bộ lọc thông cao. Bộ lọc thông cao là bộ lọc cho phép đi qua bất kỳ tần số nào lớn hơn tần số ngưỡng. Đối với thành phần này, tần số cắt sẽ là 0,05 Hz. Một lần nữa 0,05 Hz là điểm cuối thấp hơn của dải tín hiệu điện tâm đồ [2]. Mặc dù giá trị nhỏ như vậy, vẫn cần phải có một bộ lọc thông cao để lọc ra bất kỳ độ lệch điện áp nào trong tín hiệu. Do đó, bộ lọc thông cao vẫn cần thiết trong thiết kế mạch, mặc dù tần số cắt là rất nhỏ.

Phương trình cho tần số cắt giống như bộ lọc cắt thông thấp, f = 1 / (2 * pi * R * C). Giá trị điện trở được đặt thành 50 kΩ và tần số cắt mong muốn là 0,05 Hz [8]. Sử dụng thông tin đó, giá trị tụ điện được tính là 63 µF. Hình ảnh đầu tiên cho bước này là bộ lọc thông cao với các giá trị thích hợp.

Phân tích quét AC là bộ lọc thứ hai. Giống như bộ lọc thông thấp, khi tần số của tín hiệu tiến gần đến tần số cắt, điện áp đầu ra sẽ giảm. Đối với bộ lọc thông cao, tần số cắt mong muốn là 0,05 Hz và tần số cắt mô phỏng là 0,0505 Hz. Giá trị này được tính toán bằng cách sử dụng phương trình tần số cắt vượt qua thấp. Sai số phần trăm cho thành phần này là 1%. Đây là một sai số phần trăm có thể chấp nhận được.

Bước 5: Bước 5: Toàn mạch

Toàn bộ mạch được xây dựng bằng cách kết nối bốn thành phần, bộ khuếch đại thiết bị đo, bộ lọc khía, bộ lọc thông thấp và bộ lọc thông cao, mắc nối tiếp. Sơ đồ mạch đầy đủ được hiển thị trong hình ảnh đầu tiên cho bước này.

Đáp ứng mô phỏng trong hình thứ hai hoạt động như mong đợi dựa trên các loại linh kiện được sử dụng cho mạch này. Mạch được thiết kế để lọc tiếng ồn ở cả giới hạn dưới và trên của tín hiệu điện tâm đồ cũng như lọc thành công tiếng ồn từ đường dây điện. Bộ lọc thông thấp loại bỏ thành công tín hiệu dưới tần số cắt. Như được hiển thị trong biểu đồ đáp ứng tần số, tại 0,01 Hz, tín hiệu được truyền qua ở 1 V, một giá trị nhỏ hơn 5 lần so với đầu ra mong muốn. Khi tần số tăng, điện áp đầu ra cũng tăng cho đến khi đạt cực đại ở 0,1 Hz. Đỉnh là khoảng 5 V, được căn chỉnh với mức tăng 1000 đối với bộ khuếch đại thiết bị đo. Tín hiệu giảm từ 5 V bắt đầu ở tần số 10 Hz. Tại thời điểm tần số là 60 Hz, mạch không có tín hiệu xuất ra. Đây là mục đích của bộ lọc notch và nó có nghĩa là chống lại sự can thiệp của các đường dây điện. Sau khi tần số vượt qua 60 Hz, điện áp một lần nữa bắt đầu tăng cùng với tần số. Cuối cùng, khi tần số đạt đến 110 Hz, tín hiệu đạt đến đỉnh thứ cấp khoảng 2 V. Từ đó, đầu ra giảm do bộ lọc thông thấp.

Bước 6: Kết luận

Mục đích của nhiệm vụ này là mô phỏng một máy điện tâm đồ tự động có khả năng ghi lại chính xác chu kỳ tim. Để làm được điều này, tín hiệu tương tự đã được lấy từ bệnh nhân cần được khuếch đại và sau đó được lọc để chỉ bao gồm tín hiệu ECG. Điều này được thực hiện bằng cách đầu tiên sử dụng một bộ khuếch đại thiết bị đo để tăng cường độ của tín hiệu lên khoảng 1000 lần. Sau đó, nhiễu của đường dây điện cần được loại bỏ khỏi tín hiệu cũng như nhiễu từ trên và dưới dải tần số được chỉ định của máy điện tâm đồ. Điều này có nghĩa là kết hợp một bộ lọc rãnh tích cực cũng như các bộ lọc thông cao và thấp thụ động. Mặc dù sản phẩm cuối cùng của nhiệm vụ này là một mạch mô phỏng, vẫn có một số lỗi có thể chấp nhận được, có tính đến các giá trị tiêu chuẩn cho các thành phần điện trở và điện dung thường có sẵn. Trên tất cả hệ thống hoạt động như mong đợi và có thể được chuyển đổi thành một mạch vật lý khá dễ dàng.

Bước 7: Tài nguyên

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang và S.-H. Tan, “Lịch sử, điểm nóng và xu hướng của điện tâm đồ,” Tạp chí tim mạch lão khoa: JGC, tháng 7 năm 2015. [Trực tuyến]. Có tại: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Truy cập: 01-12-2020].

[2] L. G. Tereshchenko và M. E. Josephson, “Nội dung tần số và đặc điểm của dẫn truyền tâm thất,” Tạp chí điện tâm đồ, 2015. [Trực tuyến]. Có tại: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Truy cập: 01-12-2020].

[3] “Bộ khuếch đại vi sai - Dấu trừ điện áp,” Hướng dẫn về Điện tử Cơ bản, ngày 17 tháng 3 năm 2020. [Trực tuyến]. Có sẵn: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Truy cập: 01-12-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan, và P. Kinget, “Hệ thống đo lường ECG,” Đại học Columbia.

[5] S. Akwei-Sekyere, “Loại bỏ nhiễu Powerline trong tín hiệu y sinh thông qua phân tích nguồn mù và phân tích wavelet,” PeerJ, 02-07-2015. [Trực tuyến]. Có tại: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Truy cập: 01-12-2020].

[6] “Bộ lọc Dừng dải được gọi là Bộ lọc từ chối”, Hướng dẫn về Điện tử Cơ bản, ngày 29 tháng 6 năm 2020. [Trực tuyến]. Có sẵn: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Truy cập: 01-12-2020].

[7] “Bộ lọc thông thấp - Hướng dẫn sử dụng bộ lọc RC thụ động,” Hướng dẫn về Điện tử Cơ bản, 01-05-2020. [Trực tuyến]. Có tại: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Truy cập: 01-12-2020].

[8] “Bộ lọc thông cao - Hướng dẫn sử dụng bộ lọc RC thụ động,” Hướng dẫn về điện tử cơ bản, 05-03 / 2019. [Trực tuyến]. Có sẵn: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Truy cập: 01-12-2020].