Điện tâm đồ tự động dễ dàng (1 Bộ khuếch đại, 2 Bộ lọc): 7 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Điện tâm đồ (ECG) đo và hiển thị hoạt động điện của tim bằng cách sử dụng các điện cực khác nhau đặt trên da. Điện tâm đồ có thể được tạo bằng bộ khuếch đại thiết bị đo, bộ lọc rãnh và bộ lọc thông thấp. Cuối cùng, tín hiệu được lọc và khuếch đại có thể được hiển thị bằng phần mềm LabView. LabView cũng sử dụng tần số đến của tín hiệu để tính nhịp tim của đối tượng là người. Bộ khuếch đại thiết bị đo đạc được chế tạo đã thành công trong việc lấy tín hiệu nhỏ của phần thân và khuếch đại nó lên 1 V, vì vậy nó có thể được xem trên máy tính bằng LabView. Bộ lọc notch và low pass đã thành công trong việc giảm nhiễu 60 Hz từ nguồn điện và các tín hiệu gây nhiễu trên 350 Hz. Nhịp tim khi nghỉ ngơi được đo là 75 nhịp / phút và 137 nhịp / phút sau 5 phút tập thể dục cường độ cao. Máy đo điện tâm đồ được chế tạo có thể đo nhịp đập của tim ở các giá trị thực tế và hình dung các thành phần khác nhau của dạng sóng điện tâm đồ điển hình. Trong tương lai, điện tâm đồ này có thể được cải thiện bằng cách thay đổi các giá trị thụ động trong bộ lọc khía để giảm nhiễu nhiều hơn xung quanh 60 Hz.

Bước 1: Tạo Bộ khuếch đại dụng cụ

Bạn sẽ cần: LTSpice (hoặc một phần mềm trực quan hóa mạch khác)

Bộ khuếch đại thiết bị đo được tạo ra để tăng kích thước của tín hiệu để nó có thể nhìn thấy được và cho phép phân tích dạng sóng.

Bằng cách sử dụng R1 = 3,3k ohms, R2 = 33k ohms, R3 = 1k ohms, R4 = 48 ohms đạt được mức tăng X. Tăng = - R4 / R3 (1 + R2 / R1) = -47k / 1k (1- (33k / 3.3k)) = -1008

Bởi vì trong op amp cuối cùng, tín hiệu đi vào chân đảo ngược, độ lợi là 1008. Thiết kế này được tạo ra trong LTSpice sau đó được mô phỏng với mức quét AC từ 1 đến 1kHz với 100 điểm mỗi thập kỷ cho đầu vào sóng sin với biên độ AC 1V.

Chúng tôi đã kiểm tra rằng mức tăng của chúng tôi là mức tăng dự định tương tự. Từ biểu đồ, chúng tôi tìm thấy Gain = 10 ^ (60/20) = 1000, đủ gần với mức tăng dự kiến của chúng tôi là 1008.

Bước 2: Tạo Bộ lọc Notch

Bạn sẽ cần: LTSpice (hoặc một phần mềm trực quan hóa mạch khác)

Bộ lọc notch là một loại cụ thể của bộ lọc thông thấp, theo sau là bộ lọc thông cao để loại bỏ một tần số cụ thể. Một bộ lọc notch được sử dụng để loại bỏ tiếng ồn do tất cả các thiết bị điện tử có ở tần số 60Hz tạo ra.

Các giá trị thụ động được tính toán: C =.1 uF (giá trị được chọn) 2C =.2 uF (sử dụng tụ điện.22 uF)

Hệ số AQ bằng 8 sẽ được sử dụng: R1 = 1 / (2 * Q * 2 * pi * f * C) = 1 / (2 * 8 * 2 * 3,14159 * 60 *.1E-6) = 1,66 kOhm (1,8 kOhm đã được sử dụng) R2 = 2Q / (2 * pi * f * C) = (2 * 8) / (60 Hz * 2 * 3,14159 *.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm là đã sử dụng) Phân chia điện áp: Rf = R1 * R2 / (R1 + R2) = 1,8 kOhm * 423 kOhm / (1,8 kOhm + 423 kOhm) = 1,79 kOhm (1,8 kOhm đã được sử dụng)

Thiết kế bộ lọc này có độ lợi bằng 1, có nghĩa là không có đặc tính khuếch đại.

Cắm các giá trị thụ động và mô phỏng trên LTSpice với AC Sweep và tín hiệu đầu vào của sóng sin 0,1 V với tần số AC 1 kHz cho kết quả là biểu đồ bode đính kèm.

Ở tần số khoảng 60 Hz, tín hiệu đạt điện áp thấp nhất. Bộ lọc đã thành công trong việc loại bỏ nhiễu 60 Hz đến điện áp không thể nhận thấy là 0,01 V và cung cấp độ lợi bằng 1, vì điện áp đầu vào là 0,1 V.

Bước 3: Tạo bộ lọc thông thấp

Bạn sẽ cần: LTSpice (hoặc một phần mềm trực quan hóa mạch khác)

Một bộ lọc thông thấp được tạo ra để loại bỏ các tín hiệu trên ngưỡng quan tâm sẽ chứa tín hiệu ECG. Ngưỡng quan tâm nằm trong khoảng 0 - 350Hz.

Giá trị của tụ điện được chọn là.1 uF. Điện trở cần thiết được tính toán cho tần số cắt cao 335 Hz: C = 0,1 uF R = 1 / (2pi * 0,1 * (10 ^ -6) * 335 Hz) = 4,75 kOhm (4,7 kOhm đã được sử dụng)

Cắm các giá trị thụ động và mô phỏng trên LTSpice với AC Sweep và tín hiệu đầu vào của sóng sin 0,1 V với tần số AC 1 kHz cho kết quả là biểu đồ bode đính kèm.

Bước 4: Tạo mạch trên Breadboard

Bạn sẽ cần: điện trở có giá trị khác nhau, tụ điện có giá trị khác nhau, bộ khuếch đại hoạt động UA 471, cáp jumper, bảng mạch, cáp kết nối, nguồn điện hoặc pin 9 V

Bây giờ bạn đã mô phỏng mạch của mình, đã đến lúc xây dựng nó trên một breadboard. Nếu bạn không có các giá trị chính xác được liệt kê, hãy sử dụng những gì bạn có hoặc kết hợp điện trở và tụ điện để tạo ra các giá trị bạn cần. Hãy nhớ cấp nguồn cho bảng mạch bánh mì của bạn bằng pin 9 Volt hoặc nguồn điện DC. Mỗi op amp cần một nguồn điện áp dương và âm.

Bước 5: Thiết lập Môi trường LabView

Bạn sẽ cần: phần mềm LabView, một máy tính

Để tự động hóa việc hiển thị dạng sóng và tính toán nhịp tim, LabView đã được sử dụng. LabView là một chương trình được sử dụng để trực quan hóa và phân tích dữ liệu. Đầu ra của mạch ECG là đầu vào cho LabView. Dữ liệu được nhập vào, vẽ biểu đồ và phân tích dựa trên sơ đồ khối được thiết kế bên dưới.

Đầu tiên, DAQ Assistant nhận tín hiệu tương tự từ mạch. Hướng dẫn lấy mẫu được thiết lập tại đây. Tốc độ lấy mẫu là 1k mẫu mỗi giây và khoảng thời gian là 3k ms, do đó khoảng thời gian được nhìn thấy trong Đồ thị dạng sóng là 3 giây. Biểu đồ dạng sóng đã nhận dữ liệu từ DAQ Assistant sau đó vẽ biểu đồ đó trong cửa sổ bảng điều khiển phía trước. Phần dưới của sơ đồ khối bao gồm tính toán nhịp tim. Đầu tiên, mức tối đa và cực tiểu của sóng được đo. Sau đó, các phép đo biên độ này được sử dụng để xác định xem có xuất hiện các đỉnh được xác định là 95% của biên độ cực đại hay không và nếu có thì mốc thời gian được ghi lại. Khi các đỉnh được phát hiện, biên độ và điểm thời gian được lưu trữ trong các mảng. Sau đó, số lượng đỉnh / giây được chuyển đổi thành phút và hiển thị trên bảng điều khiển phía trước. Bảng điều khiển phía trước hiển thị dạng sóng và nhịp mỗi phút.

Mạch được kết nối với LabVIEW thông qua một ADC của National Instruments như trong hình trên. Bộ tạo chức năng tạo ra tín hiệu ECG mô phỏng được đưa vào ADC để chuyển dữ liệu đến LabView để vẽ đồ thị và phân tích. Ngoài ra, sau khi BPM được tính toán trong LabVIEW, Chỉ báo số được sử dụng để in ra giá trị đó trên bảng điều khiển phía trước của ứng dụng dọc theo biểu đồ dạng sóng, như trong hình 2.

Bước 6: Kiểm tra mạch sử dụng bộ tạo chức năng

Bạn sẽ cần: mạch trên breadboard, cáp kết nối, nguồn điện hoặc pin 9 V, National Instruments ADC, Phần mềm LabView, máy tính

Để kiểm tra thiết bị LabView, một ECG mô phỏng đã được đưa vào mạch và đầu ra của mạch được kết nối với LabView thông qua National Instruments ADC. Đầu tiên, tín hiệu 20mVpp ở tần số 1Hz được đưa vào mạch để mô phỏng nhịp tim khi nghỉ ngơi. Bảng điều khiển phía trước LabView được hiển thị trong hình ảnh bên dưới. Tất cả các sóng P, T, U và phức bộ QRS đều có thể nhìn thấy được. BMP được tính toán chính xác và hiển thị trong chỉ báo số. Có một mức khuếch đại khoảng 8 V / 0,02 V = 400 qua mạch tương tự như những gì chúng ta đã thấy khi mạch được mắc vào máy hiện sóng. Hình ảnh kết quả trong LabView được đính kèm. Tiếp theo, để mô phỏng nhịp tim đập lên trong khi tập thể dục, một tín hiệu 20mVpp ở tần số 2Hz được đưa vào mạch. Có một mức tăng tương đương với thử nghiệm ở nhịp tim nghỉ ngơi. Bên dưới dạng sóng được xem là có tất cả các phần giống như trước đây chỉ với tốc độ nhanh hơn. Nhịp tim được tính toán và hiển thị trong chỉ số số và chúng tôi thấy 120 BPM dự kiến.

Bước 7: Kiểm tra mạch sử dụng đối tượng con người

Bạn sẽ cần: mạch điện trên breadboard, cáp kết nối, nguồn điện hoặc pin 9 V, National Instruments ADC, Phần mềm LabView, máy tính, điện cực (ít nhất ba), chủ đề con người

Cuối cùng, mạch đã được thử nghiệm với điện tâm đồ chủ thể con người dẫn đầu vào mạch và đầu ra của mạch đi vào LabView. Ba điện cực được đặt trên một đối tượng để thu được tín hiệu thực. Điện cực được đặt trên cả cổ tay và mắt cá chân phải. Cổ tay phải là đầu vào dương, cổ tay trái là âm và mắt cá chân là đầu vào. Một lần nữa dữ liệu được nhập vào LabView để xử lý. Cấu hình điện cực được đính kèm như hình.

Đầu tiên, tín hiệu ECG nghỉ ngơi của đối tượng được hiển thị và phân tích. Khi nghỉ ngơi, đối tượng có nhịp tim khoảng 75 bpm. Đối tượng sau đó tham gia hoạt động thể chất cường độ cao trong 5 phút. Đối tượng đã được kết nối lại và tín hiệu nâng cao được ghi lại. Nhịp tim khoảng 137 bpm sau khi hoạt động. Tín hiệu này nhỏ hơn và có nhiều nhiễu hơn. Điện cực được đặt trên cả cổ tay và mắt cá chân phải. Cổ tay phải là đầu vào dương, cổ tay trái là âm và mắt cá chân là đầu vào. Một lần nữa dữ liệu được nhập vào LabView để xử lý.

Một người bình thường có tín hiệu điện tâm đồ khoảng 1mV. Mức tăng mong đợi của chúng tôi là khoảng 1000, do đó chúng tôi mong đợi điện áp đầu ra là 1V. Từ bản ghi ở trạng thái nghỉ trong hình XX, biên độ của phức bộ QRS là khoảng (-0,7) - (-1,6) = 0,9 V. Điều này tạo ra sai số 10%. (1-0,9) / 1 * 100 = 10% Nhịp tim lúc nghỉ của một người tiêu chuẩn là 60, đo được là khoảng 75, điều này tạo ra sai số | 60-75 | * 100/60 = 25%. Nhịp tim tăng lên của một người tiêu chuẩn là 120, đo được là khoảng 137, điều này tạo ra sai số | 120-137 | * 100/120 = 15%.

Chúc mừng! Bây giờ bạn đã xây dựng điện tâm đồ tự động của riêng mình.