Tự tạo điện tâm đồ (ECG): 6 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:35

LƯU Ý:

Đây không phải là một thiết bị y tế. Điều này chỉ dành cho mục đích giáo dục, sử dụng các tín hiệu mô phỏng. Nếu sử dụng mạch này cho các phép đo điện tâm đồ thực, hãy đảm bảo mạch và các kết nối giữa mạch với thiết bị đang sử dụng nguồn pin và các kỹ thuật cách ly thích hợp khác.

[Hình ảnh lấy từ

Bước 1: Biết nội dung của bạn

Điện tâm đồ (ECG) là một công cụ quan trọng được các bác sĩ sử dụng để theo dõi hoạt động điện của tim. Nó hữu ích trong việc nắm bắt mọi thứ, từ nhịp tim bất thường đến chẩn đoán suy nhiệt. Bằng cách làm theo Có thể hướng dẫn này, bạn sẽ có thể chế tạo một thiết bị hiển thị điện tâm đồ của một người chỉ sử dụng các kỹ năng cơ bản về bảng mạch và thiết bị phòng thí nghiệm điện tử nói chung. Khi bạn có đầu ra tín hiệu tốt, bạn có thể sử dụng tín hiệu tương tự này để tính toán nhịp tim hoặc một số liệu thú vị khác bằng cách sử dụng bộ vi điều khiển.

-

Nếu bạn không biết ECG là gì, nó chỉ đơn giản là một bản ghi lại hoạt động của tim. Do tính chất điện của các cơn co thắt của tim, người ta có thể ghi lại sự thay đổi điện áp bằng cách đặt các điện cực lên da và xử lý tín hiệu. Biểu đồ của các điện áp này theo thời gian được gọi là điện tâm đồ (viết tắt là ECG). Điện tâm đồ thường được sử dụng để chẩn đoán các dạng suy tim khác nhau hoặc theo dõi tình trạng căng thẳng của bệnh nhân một cách thụ động. Điện tâm đồ khỏe mạnh có các tính năng cụ thể phổ biến giữa con người. (Điều này bao gồm sóng P, sóng Q, sóng R, sóng S, sóng T và phức hợp QRS.) Tôi đã cung cấp một sơ đồ đơn giản về điện tâm đồ với phản ứng tương ứng của tim.

-

Lưu ý rằng mỗi sự kiện điện xảy ra trong các dây thần kinh của tim tương ứng với một sự kiện vật lý xảy ra do đó trong mô cơ và trong khi một phần của tim đang co lại, các phần khác đang thư giãn. Bằng cách này, thời gian của các tín hiệu điện rất quan trọng trong tim, điều này làm cho ECG trở thành một công cụ rất mạnh trong việc đo sức khỏe tim.

-

Tuy nhiên, đối với chúng tôi để ghi lại một điện tâm đồ thực tế, nhiều vấn đề liên quan đến hậu cần như kích thước của tín hiệu, lượng tiếng ồn đến từ phần còn lại của cơ thể và lượng tiếng ồn đến từ môi trường. Để bù đắp cho điều này, chúng tôi đang thiết kế một mạch sẽ bao gồm 3 phần: bộ khuếch đại vi sai để tăng kích thước tín hiệu của chúng tôi, bộ lọc thông thấp để loại bỏ nhiễu tín hiệu tần số cao và bộ lọc notch để loại bỏ nhiễu 60 Hz. luôn có mặt trong các tòa nhà được cung cấp nguồn điện xoay chiều. Tôi sẽ mô tả chi tiết các bước này cho bạn dưới đây.

[Hình ảnh lấy từ

Bước 2: Thu thập nguồn cung cấp của bạn

Đối với dự án này, bạn sẽ cần:

- 1 breadboard lớn (có 2 cái trở lên sẽ đẹp hơn)

- 5 op-amps đa năng

(Tôi đã sử dụng UA741 với + -15 V, chỉ cần đảm bảo rằng những chiếc bạn chọn có thể xử lý 15 volt nếu không bạn sẽ cần điều chỉnh giá trị của các thành phần thụ động của mình và bạn sẽ phải giải quyết để giảm độ khuếch đại)

Điện trở

o 2x 165 ohm

o 3x 1k ohm

o 2x 15k ohm

o 2x 33k ohm

o 1x 42k ohm

o 2x 60k ohm

Tụ điện

o 2x 22nF

o 2x 1μF

o 1x 2Μf

- Rất nhiều dây hoặc dây nhảy

- Nguồn điện áp một chiều có khả năng cung cấp + -15 V

- Một máy phát chức năng và máy hiện sóng (chủ yếu để khắc phục sự cố)

- Ít nhất ba điện cực dính nếu bạn định ghi điện tâm đồ thực tế

- Đủ cáp để kết nối tất cả những thứ vô nghĩa này

- Hiểu biết chắc chắn về mạch, op-amps và kinh nghiệm với breadboarding.

Nếu bạn vừa có một breadboard cho ngày sinh nhật của mình và đang muốn thử làm một cái gì đó thú vị với nó, hãy thực hiện ít nhất một vài bản dựng đơn giản hơn trước khi bạn thử cái này.

-

Bước 3: Xây dựng bộ khuếch đại vi sai

Bộ khuếch đại vi sai là thứ sẽ khuếch đại tín hiệu đã ghi của chúng ta đến mức có thể sử dụng được để hiển thị trên ống kính hoặc màn hình. Thiết kế mạch này sẽ lấy hiệu điện thế từ hai điện cực đầu vào và khuếch đại nó lên. Điều này được thực hiện để giảm tiếng ồn, vì tiếng ồn thông thường giữa các điện cực sẽ được loại bỏ. Tín hiệu điện tâm đồ sẽ thay đổi về biên độ tùy thuộc vào vị trí của các điện cực ghi và cá nhân, nhưng thường theo thứ tự vài milivôn khi ghi từ cổ tay. (Mặc dù không cần thiết cho thiết lập này, nhưng biên độ tín hiệu có thể được tăng lên bằng cách đặt các điện cực trên ngực, nhưng đánh đổi là tiếng ồn từ chuyển động của phổi.)

-

Tôi đã bao gồm một sơ đồ thiết lập. Mạch trong hình sẽ khuếch đại tín hiệu của bạn lên gấp 1000 lần. Bạn có thể cần phải điều chỉnh điều này tùy thuộc vào loại op-amp mà bạn quyết định sử dụng. Một cách nhanh chóng để điều chỉnh điều này là thay đổi giá trị của R1. Bằng cách cắt đôi giá trị của R1, bạn sẽ tăng gấp đôi mức tăng sản lượng và ngược lại.

-

Tôi cho rằng hầu hết các bạn có thể dịch mạch này lên breadboard, tuy nhiên, tôi đã đưa vào sơ đồ thiết lập breadboard để hợp lý hóa quy trình và hy vọng giảm thời gian khắc phục sự cố của bạn. Tôi cũng đã gửi kèm hình ảnh sơ đồ chân UA741 (hoặc LM741) để bạn tiện theo dõi. (cho mục đích của bạn, bạn sẽ không cần chân 1, 5 hoặc 8) Chân V + và V- trên op-amp sẽ được kết nối tương ứng với nguồn cung cấp +15 V và -15 V của bạn. -15V không giống với mặt đất! Bạn có thể bỏ qua các tụ điện trên breadboard của tôi. Chúng là các tụ điện bỏ qua nhằm loại bỏ nhiễu AC, nhưng xét lại thì không đáng để nỗ lực.

-

Tôi khuyên bạn nên thử nghiệm từng giai đoạn khi bạn hoàn thành nó để khắc phục sự cố. Như mạch hiển thị, bạn có thể kết nối một trong các đầu vào với đất và đầu kia với nguồn DC nhỏ để kiểm tra độ khuếch đại. (đảm bảo rằng bạn nhập <15 mV nếu không bạn sẽ bão hòa các op-amps). Nếu bạn cần giảm mức tăng của mình để thử nghiệm, đừng lo lắng, bất kỳ mức tăng nào trên 500 lần sẽ là rất nhiều cho mục đích của chúng tôi. Hơn nữa, nếu bạn xây dựng mạch của mình để đạt mức tăng 1000 và nó chỉ hiển thị mức tăng 800, thì đó không phải là ngày tận thế, con số chính xác là không quan trọng.

-

Bước 4: Xây dựng Bộ lọc Notch

Bây giờ chúng ta có thể khuếch đại tín hiệu của mình, hãy xem xét việc làm sạch nó. Nếu bạn nối các điện cực vào mạch của chúng tôi ngay bây giờ, nó có thể có rất nhiều nhiễu 60 Hz. Điều đó bởi vì hầu hết các tòa nhà được nối dây với dòng điện xoay chiều 60 Hz gây ra tín hiệu nhiễu lớn chắc chắn không thể tránh khỏi. Để khắc phục điều này, chúng tôi sẽ xây dựng một bộ lọc notch 60 Hz. Một bộ lọc notch được thiết kế để làm giảm các tần số rất cụ thể và để các tần số khác không bị ảnh hưởng; hoàn hảo để loại bỏ tiếng ồn 60 Hz.

-

Như trước đây, tôi đã bao gồm một hình ảnh về sơ đồ mạch, thiết lập bảng mạch và mạch của riêng tôi. Cần lưu ý, trong khi bộ lọc notch là một công đoạn tương đối dễ xây dựng, tôi mất nhiều thời gian nhất để làm việc. Đầu vào của tôi đã được suy giảm tốt, nhưng ở 63 Hz thay vì 60 Hz, điều này sẽ không cắt nó. Nếu bạn gặp phải vấn đề tương tự, tôi khuyên bạn nên thay đổi giá trị R14 của mình. (Tăng điện trở của R14 sẽ làm giảm tần số suy giảm của bạn và ngược lại). Nếu bạn có hộp điện trở thay thế, hãy sử dụng nó để thay thế R14, sau đó thử các giá trị điện trở để tìm ra chính xác thứ hoạt động tốt nhất, vì nó sẽ nhạy cảm với những thay đổi theo thứ tự của ohm đơn. Tôi đã kết thúc với R14 175 ohm, nhưng về lý thuyết, nó hoạt động tốt nhất để phù hợp với R12.

-

Một lần nữa, bạn có thể kiểm tra giai đoạn này bằng cách sử dụng bộ tạo hàm để nhập vào một sóng sin 60 Hz và ghi lại đầu ra của bạn trên một máy hiện sóng. Đầu ra của bạn phải là khoảng -20 dB hoặc 10% biên độ của đầu vào. Như tôi đã nói trước đây, bạn có thể kiểm tra các tần số lân cận để tối ưu hóa.

-

Bước 5: Xây dựng bộ lọc thông thấp

Như đã đề cập trước đây, một yếu tố quan trọng khác là giảm tiếng ồn từ cơ thể của bạn và bất cứ thứ gì khác đang làm rung chuyển căn phòng bạn đang ở. Bộ lọc thông thấp rất tốt trong việc này bởi vì theo như tín hiệu, nhịp tim của bạn khá chậm. Mục tiêu của chúng tôi với bộ lọc thông thấp là loại bỏ tất cả các tín hiệu có tần số cao hơn ECG của bạn. Để làm điều này, chúng ta cần chỉ định một "tần số cắt". Trong trường hợp của chúng tôi, mọi thứ trên tần số này chúng tôi muốn loại bỏ và mọi thứ dưới tần số này chúng tôi muốn giữ lại. Trong khi nhịp tim xảy ra theo thứ tự từ 1 đến 3 Hertz, các dạng sóng riêng lẻ tạo nên điện tâm đồ của chúng ta được tạo thành từ các tần số cao hơn nhiều; gần 1 đến 50 Hertz. Do đó, tôi đã chọn tần số cắt là 80 Hz. Nó đủ cao để giữ tất cả các thành phần hữu ích trong tín hiệu, nhưng vẫn loại bỏ tiếng ồn từ đài HAM mà bạn có trong phòng bên cạnh.

-

Tôi không có bất kỳ lời khuyên hiền triết nào về bộ lọc thông thấp, nó rất đơn giản so với các giai đoạn khác. Tương tự với bộ khuếch đại, đừng lo lắng về việc cắt chính xác ở 80 Hz; điều này không quan trọng và sẽ không xảy ra trên thực tế. Tuy nhiên, bạn nên kiểm tra đầu ra của nó bằng cách sử dụng một bộ tạo hàm. Theo quy tắc chung, một sóng hình sin nên đi qua bộ lọc ở tần số 10 Hz và phải được cắt đi một nửa ở 130 Hz.

-

Bước 6: Kết nối

Nếu bạn đã làm được đến mức này, xin chúc mừng! Bạn có tất cả các thành phần của một ECG. Tất cả những gì bạn cần làm là kết nối chúng với nhau, đập vào các điện cực và nối đầu ra với máy hiện sóng để xem điện tâm đồ của bạn!

-

Trong trường hợp bạn không chắc chắn về cách đặt các điện cực, tôi khuyên bạn nên dán các điện cực đầu vào trên cổ tay của bạn (một điện cực trên mỗi cổ tay) và kết nối điện cực nối đất với chân của bạn (hình ảnh có thể hữu ích.) Xin nhắc lại, mỗi điện cực đầu vào nên đi một đầu vào tích cực trên op-amps trong bộ khuếch đại. (Nó chỉ được nối đất trong sơ đồ mạch cho mục đích mô phỏng)

-

Khi bạn đã kết nối, hãy kết nối lý thuyết của bộ lọc thông thấp với máy hiện sóng và tự hào về bản thân! Làm cho tất cả trẻ em của bạn đeo điện cực và xem nhịp tim của chúng. Heck, hãy làm cho hàng xóm của bạn đến thử nó. Nếu bạn cảm thấy có thêm động lực, hãy kết nối đầu ra với bộ vi điều khiển để tính nhịp tim từ đĩa đơn. (Bạn có thể muốn giảm độ khuếch đại trước khi làm điều này, nó có thể làm hỏng bo mạch bạn đang sử dụng). Bất chấp điều đó, chúc mừng bạn đã xây dựng được và chúc bạn làm việc vui vẻ!

[Hình ảnh lấy từ