Mạch thu thập điện tâm đồ: 5 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 bằng cách 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 các kỹ thuật cách ly thích hợp

Có lẽ phép đo sinh lý phổ biến nhất trong ngành chăm sóc sức khỏe ngày nay là Điện tâm đồ (ECG / EKG). Thật khó để đi qua bệnh viện hoặc phòng cấp cứu mà không nghe thấy tiếng “bíp” truyền thống của máy đo nhịp tim hoặc nhìn thấy dạng sóng ECG lăn trên màn hình trong phòng bệnh. Nhưng, phép đo này là gì mà đã trở nên gắn liền với chăm sóc sức khỏe hiện đại?

Điện tâm đồ thường bị nhầm lẫn với việc ghi lại hoạt động thể chất của tim, tuy nhiên, đúng như tên gọi, nó thực sự là một bản ghi lại hoạt động điện, sự khử cực và tái phân cực, của các cơ tim. Bằng cách phân tích dạng sóng được ghi lại, các bác sĩ có thể hiểu rõ hơn về hoạt động của hệ thống điện của tim. Một số chẩn đoán phổ biến được thực hiện từ dữ liệu điện tâm đồ bao gồm: nhồi máu cơ tim, thuyên tắc phổi, loạn nhịp tim và khối AV.

Tài liệu có thể hướng dẫn sau đây sẽ trình bày quy trình và nguyên tắc được sử dụng để xây dựng một mạch điện cơ bản có khả năng thu thập điện tâm đồ bằng cách sử dụng các điện cực bề mặt đơn giản như được thực hiện trong bệnh viện.

Bước 1: Thiết kế Bộ khuếch đại dụng cụ

Phần tử mạch đầu tiên cần thiết để ghi lại tín hiệu ECG là một bộ khuếch đại thiết bị đo. Bộ khuếch đại này có hai tác dụng.

1. Nó tạo ra một bộ đệm điện tử giữa các điện cực ghi và phần còn lại của mạch. Điều này làm giảm dòng điện yêu cầu từ các điện cực xuống gần như bằng không. Cho phép thu tín hiệu với rất ít biến dạng do trở kháng đầu vào gây ra.

2. Nó khuếch đại một cách vi sai tín hiệu được ghi lại. Điều đó có nghĩa là bất kỳ tín hiệu chung nào ở cả hai điện cực ghi sẽ không được khuếch đại, trong khi sự khác biệt (các phần quan trọng) sẽ có.

Thông thường, các bản ghi điện cực bề mặt cho ECG sẽ nằm trong dải miliVolt. Do đó, để tín hiệu này vào một dải ta có thể làm việc với độ khuếch đại (K) 1000 V / V sẽ thích hợp.

Các phương trình điều chỉnh cho bộ khuếch đại được minh họa ở trên là:

K1 = 1 + 2 * R2 / R1, đây là mức tăng giai đoạn 1

K2 = - R4 / R3, đây là mức tăng giai đoạn 2

Lưu ý rằng lý tưởng, K1 và K2 phải xấp xỉ bằng nhau và để đạt được độ khuếch đại mong muốn K1 * K2 = 1000

Các giá trị cuối cùng được sử dụng trong mạch của chúng tôi là….

R1 = 6,5 kOhm

R2 = 100 kOhm

R3 = 3,17 kOhm

R4 = 100 kOhm

Bước 2: Thiết kế bộ lọc Notch

Có khả năng trong thế giới hiện đại, việc thu thập điện tâm đồ sẽ được thực hiện gần một số thiết bị điện tử khác, hoặc thậm chí chỉ trong một tòa nhà được cung cấp điện từ các đường dây điện địa phương. Thật không may, bản chất điện áp cao và dao động của nguồn điện được cung cấp có nghĩa là nó sẽ tạo ra một lượng lớn "nhiễu" điện trong thực tế bất kỳ vật liệu dẫn điện nào ở gần nó; điều này bao gồm các dây và phần tử mạch được sử dụng để xây dựng mạch thu thập điện tâm đồ của chúng tôi.

Để chống lại điều này, bất kỳ tín hiệu nào có tần số bằng tần số của tiếng ồn được tạo ra bởi nguồn điện cục bộ (gọi là tiếng ồn chính) có thể đơn giản được lọc ra và loại bỏ về cơ bản. Ở Hoa Kỳ, lưới điện cung cấp 110-120V với tần số 60 Hz. Do đó, chúng ta cần lọc bỏ bất kỳ thành phần tín hiệu nào có tần số 60 Hz. May mắn thay, điều này đã được thực hiện nhiều lần trước đây và chỉ cần thiết kế một bộ lọc notch (hình trên).

Các phương trình điều chỉnh bộ lọc này là….

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

R3 = (R1 * R2) / (R1 + R2)

Q = w / B

trong đó wc2 là tần số cắt cao, w2 là tần số cắt thấp, w là tần số cắt tính bằng rad / giây và Q là hệ số chất lượng

Lưu ý rằng C là một giá trị có thể được tự do chọn. Các giá trị sau được sử dụng trong mạch của chúng tôi là:

R1 = 1,65 kOhm

R2 = 424,5 kOhm

Q = 8

w = 120 * pi rad / giây

Bước 3: Bộ lọc thông thấp

Tín hiệu điện tâm đồ có tần số khoảng 0 - 150Hz. Để ngăn chặn nhiều tiếng ồn ghép vào tín hiệu từ những thứ có tần số cao hơn phạm vi này, bộ lọc ButterWorth thông thấp bậc hai với mức cắt 150Hz đã được triển khai để chỉ cho phép tín hiệu ECG đi qua mạch. Thay vì chọn ngay giá trị tụ điện sẵn có, giống như các thành phần trước đó, giá trị tụ điện đầu tiên, C2, được chọn dựa trên công thức được tìm thấy bên dưới. Từ giá trị đó, tất cả các giá trị thành phần khác có thể được tính toán và sau đó thêm vào mạch trong khi vẫn giữ mức tăng trở lại 1V / V.

C2 ≈ 10 / fc uf, trong đó fc là tần số cắt (150 Hz cho trường hợp này).

Sau đó, các giá trị còn lại có thể được tính toán như được hiển thị trong bảng được bao gồm dưới dạng hình ảnh thứ hai trong bước này.

Các giá trị cuối cùng được sử dụng để đặt trong giản đồ trên là:

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22,47 kOhm

R2 = 22,56 kOhm

Bước 4: Chuẩn bị LabVIEW

Tài liệu duy nhất cần thiết cho phần này của bộ sưu tập điện tâm đồ là một máy tính Windows được trang bị bản sao 64-bit của LabVIEW và Bảng điều hòa tín hiệu dụng cụ quốc gia () với một mô-đun đầu vào duy nhất. Sau đó, sơ đồ khối chức năng trong LabVIEW nên được xây dựng theo cách sau. Bắt đầu bằng cách mở một Sơ đồ khối chức năng trống.

Chèn một khối Hỗ trợ DAQ và điều chỉnh các cài đặt như sau:

Đo lường: Tương tự → Điện áp

Chế độ: RSE

Lấy mẫu: Lấy mẫu liên tục

Mẫu đã thu thập: 2500

Tốc độ lấy mẫu: 1000 / giây

Xuất dạng sóng thu thập được thành đồ thị dạng sóng. Ngoài ra, hãy tính toán giá trị lớn nhất của dữ liệu dạng sóng hiện tại. Nhân giá trị lớn nhất của sóng với một giá trị chẳng hạn như.8 để tạo ngưỡng phát hiện đỉnh, giá trị này có thể được điều chỉnh dựa trên mức độ nhiễu trong tín hiệu. Nạp vào sản phẩm của bước trước dưới dạng ngưỡng và mảng điện áp thô làm dữ liệu cho chức năng “Phát hiện đỉnh”. Tiếp theo, lấy đầu ra "Vị trí" của mảng phát hiện đỉnh và trừ giá trị thứ nhất và thứ hai. Điều này thể hiện sự khác biệt về giá trị chỉ số của hai đỉnh trong mảng ban đầu. Sau đó, giá trị này có thể được chuyển đổi thành chênh lệch thời gian bằng cách chia giá trị cho tốc độ mẫu, ví dụ trường hợp này là 1000 / giây. Cuối cùng, lấy nghịch đảo của giá trị này (cho Hz) và nhân với 60 để thu được nhịp tim theo nhịp mỗi phút BPM. Sơ đồ khối cuối cùng cho điều này sẽ giống như hình ảnh tiêu đề cho bước này.

Bước 5: Tích hợp toàn hệ thống

Bây giờ tất cả các thành phần đã được xây dựng riêng lẻ, đã đến lúc kết hợp trung tâm mua sắm với nhau. Điều này có thể được thực hiện bằng cách chỉ cần đấu dây đầu ra của một phần với đầu vào của phân đoạn sau. Các giai đoạn phải được nối dây theo thứ tự mà chúng xuất hiện trong Có thể hướng dẫn này. Đối với giai đoạn cuối, bộ lọc ButterWorth, đầu vào của nó phải được gắn vào một trong hai dây dẫn trên mô-đun đầu vào của bảng điều hòa tín hiệu. Dây dẫn khác từ mô-đun này phải được gắn vào điểm chung của mạch.

Đối với bộ khuếch đại thiết bị đo, mỗi dây dẫn của nó phải được gắn vào một điện cực ECG / EKG. Điều này có thể dễ dàng thực hiện với việc sử dụng hai kẹp cá sấu. Sau đó, đặt một điện cực trên mỗi cổ tay. Đảm bảo tất cả các phân đoạn của mạch được kết nối và LabVIEW VI đang chạy và hệ thống phải xuất ra biểu đồ dạng sóng trong cửa sổ LabVIEW.

Đầu ra sẽ giống với hình ảnh thứ hai được cung cấp trong bước này. Nếu nó không tương tự, các giá trị của mạch của bạn có thể cần được điều chỉnh. Một vấn đề phổ biến là bộ lọc notch sẽ không được căn giữa trực tiếp ở 60 Hz và có thể hơi cao / thấp. Điều này có thể được kiểm tra bằng cách tạo một biểu đồ mã cho bộ lọc. Lý tưởng nhất là bộ lọc notch sẽ có độ suy giảm ít nhất 20 dB ở 60 Hz. Cũng có thể hữu ích khi kiểm tra xem nguồn điện cục bộ của bạn có được cung cấp ở tần số 60 Hz hay không. Không có gì lạ đối với một số khu vực có nguồn cung cấp AC 50 Hz, điều này đòi hỏi phải căn giữa bộ lọc khía xung quanh giá trị này.