Mạch điện tâm đồ: 7 bước

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

Điện tâm đồ là một xét nghiệm đo hoạt động điện của tim bằng cách ghi lại nhịp tim và hoạt động của tim. Nó hoạt động bằng cách lấy và đọc các tín hiệu từ tim bằng các dây dẫn được gắn vào máy ghi điện tim. Tài liệu hướng dẫn này sẽ chỉ cho bạn cách xây dựng một mạch ghi, lọc và hiển thị tín hiệu điện sinh học của tim. 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.

Mạch này bao gồm ba giai đoạn khác nhau được đấu nối tiếp với nhau bằng một chương trình LabView. Các điện trở trong bộ khuếch đại thiết bị đo đạc được tính toán với độ lợi 975 để đảm bảo rằng các tín hiệu nhỏ từ tim vẫn có thể được thu nhận trong mạch. Bộ lọc notch loại bỏ tiếng ồn 60 Hz từ ổ cắm điện trên tường. Bộ lọc thông thấp đảm bảo rằng nhiễu tần số cao được loại bỏ khỏi mạch để phát hiện tín hiệu tốt hơn.

Trước khi bắt đầu Có thể hướng dẫn này, sẽ rất hữu ích nếu bạn tự làm quen với Bộ khuếch đại hoạt động có mục đích chung uA741. Các chân khác nhau trong op-amp có các mục đích khác nhau và mạch sẽ không hoạt động nếu chúng được kết nối không chính xác. Kết nối các chân với breadboard không chính xác cũng là một cách dễ dàng khiến op-amp không hoạt động. Liên kết dưới đây chứa giản đồ được sử dụng cho op-amps trong hướng dẫn này.

Nguồn hình ảnh:

Bước 1: Thu thập tài liệu

Vật liệu cần thiết cho cả 3 giai đoạn của bộ lọc:

• Máy hiện sóng
• Máy phát chức năng
• Nguồn điện (+ 15V, -15V)
• Breadboard không hàn
• Nhiều loại cáp chuối và kẹp cá sấu
• Miếng dán điện cực ECG
• Nhiều loại dây nhảy

Bộ khuếch đại nhạc cụ:

• 3 Op-amps (uA741)

• Điện trở:

  • 1 kΩ x 3
  • 12 kΩ x 2
  • 39 kΩ x 2

Bộ lọc Notch:

• 1 Op-amp (uA741)

• Điện trở:

  • 1,6 kΩ x 2
  • 417 kΩ

• Tụ điện:

  • 100 nF x 2
  • 200 nF

Bộ lọc thông thấp:

• 1 Op-Amp (uA741)

• Điện trở:

  • 23,8 kΩ
  • 43 kΩ

• Tụ điện:

  • 22 nF
  • 47 nF

Bước 2: Xây dựng Bộ khuếch đại thiết bị đo

Tín hiệu sinh học thường chỉ xuất ra điện áp từ 0,2 đến 2 mV [2]. Những điện áp này quá nhỏ để có thể phân tích trên máy hiện sóng nên chúng tôi cần phải chế tạo một bộ khuếch đại.

Sau khi mạch của bạn được xây dựng, hãy kiểm tra để đảm bảo rằng nó hoạt động chính xác bằng cách đo điện áp tại Vout (hiển thị như nút 2 trong hình trên). Chúng tôi đã sử dụng bộ tạo chức năng để gửi một sóng hình sin với điện áp biên độ đầu vào là 20 mV đến bộ khuếch đại thiết bị đo của chúng tôi. Bất cứ điều gì quá xa so với điều này sẽ không cung cấp cho bạn kết quả mà bạn đang tìm kiếm bởi vì các bộ khuếch đại op chỉ nhận được một lượng công suất nhất định là -15 và +15 V. So sánh đầu ra của bộ tạo chức năng với đầu ra của bộ khuếch đại thiết bị đo của bạn và tìm kiếm mức tăng gần 1000 V. (Vout / Vin phải rất gần 1000).

Mẹo để khắc phục sự cố: Đảm bảo tất cả các điện trở nằm trong dải kΩ.

[2] “Điều hòa tín hiệu Điện tâm đồ hiệu suất cao (ECG) | Giáo dục | Thiết bị Analog.” [Trực tuyến]. Có sẵn: https://www.analog.com/en/education/education-library/articles/high-perf-electrocardiogram-signal-conditioning.html. [Truy cập: 10-12-2017].]

Bước 3: Xây dựng Bộ lọc Notch

Bộ lọc notch của chúng tôi được thiết kế để lọc ra tần số ở 60 Hz. Chúng tôi muốn lọc 60 Hz khỏi tín hiệu của chúng tôi vì đó là tần số của dòng điện xoay chiều được tìm thấy trong các ổ cắm điện.

Khi kiểm tra bộ lọc khía, hãy đo tỷ lệ đỉnh trên đỉnh giữa đồ thị đầu vào và đầu ra. Ở tần số 60 Hz, phải có tỷ lệ -20 dB hoặc tốt hơn. Điều này là do ở -20 dB, điện áp đầu ra về cơ bản là 0V, nghĩa là bạn đã lọc thành công tín hiệu ở tần số 60 Hz! Kiểm tra tần số xung quanh 60 Hz cũng như để đảm bảo rằng không có tần số nào khác vô tình bị lọc ra.

Mẹo để khắc phục sự cố: Nếu bạn không thể nhận chính xác -20dB ở 60 Hz, hãy chọn một điện trở và thay đổi một chút cho đến khi bạn nhận được kết quả mong muốn. Chúng tôi phải thử với giá trị của R2 cho đến khi chúng tôi có được kết quả như mong muốn.

Bước 4: Xây dựng bộ lọc thông thấp

Bộ lọc thông thấp của chúng tôi được thiết kế với tần số cắt là 150 Hz. Chúng tôi chọn ngưỡng này vì phạm vi chẩn đoán rộng nhất cho ECG là 0,05 Hz - 150 Hz, giả sử môi trường bất động và tiếng ồn thấp [3]. Bộ lọc thông thấp có thể loại bỏ tiếng ồn tần số cao phát ra từ các cơ hoặc các bộ phận khác của cơ thể [4].

Để kiểm tra mạch này để đảm bảo rằng nó hoạt động chính xác, hãy đo Vout (được hiển thị như nút 1 trong sơ đồ mạch). Ở tần số 150 Hz, biên độ của tín hiệu đầu ra phải bằng 0,7 lần biên độ của tín hiệu đầu vào. Chúng tôi đã sử dụng tín hiệu đầu vào 1V để có thể dễ dàng thấy rằng đầu ra của chúng tôi phải là 0,7 ở tần số 150 Hz.

Mẹo để khắc phục sự cố: miễn là tần số cắt của bạn nằm trong vài Hz của 150 Hz, mạch của bạn sẽ vẫn hoạt động. Mức cắt của chúng tôi cuối cùng là 153 Hz. Phạm vi tín hiệu sinh học sẽ dao động một chút trong cơ thể, miễn là bạn không tắt quá vài Hz, mạch của bạn vẫn hoạt động.

[3] “Bộ lọc điện tâm đồ | MEDTEQ.” [Trực tuyến]. Có sẵn: https://www.medteq.info/med/ECGFilters. [Truy cập: 10-12-2017].

[4] K. L. Venkatachalam, J. E. Herbrandson và S. J. Asirvatham, “Tín hiệu và xử lý tín hiệu cho nhà điện sinh lý học: Phần I: Thu nhận điện đồ,” Circ. Rối loạn nhịp tim Electrophysiol., Vol. 4, không. 6, trang 965–973, tháng 12 năm 2011.

Bước 5: Tạo chương trình LabView

[5] “Dự án Phòng thí nghiệm Thiết kế BME 305” (Mùa thu 2017).

Sơ đồ khối labview này được thiết kế để phân tích tín hiệu đi qua chương trình, phát hiện các đỉnh ECG, thu thập chênh lệch thời gian giữa các đỉnh và tính toán BPM một cách toán học. Nó cũng xuất ra một đồ thị của dạng sóng ECG.

Bước 6: Kết nối cả ba giai đoạn

Kết nối tất cả ba mạch nối tiếp bằng cách kết nối đầu ra của bộ khuếch đại thiết bị đo với đầu vào của bộ lọc khía và đầu ra của bộ lọc khía với đầu vào của bộ lọc thông thấp. Kết nối đầu ra của bộ lọc thông thấp với trợ lý DAQ và kết nối trợ lý DAQ với máy tính. Khi đấu dây các mạch với nhau, hãy đảm bảo rằng các dải nguồn cho mỗi breadboard được kết nối và các dải nối đất đều được kết nối với cùng một đầu nối đất.

Trong bộ khuếch đại thiết bị đo, op-amp thứ hai cần không được bao quanh để hai dây dẫn điện cực được kết nối với đối tượng thử nghiệm có thể kết nối với một amp op khác nhau trong giai đoạn đầu tiên của bộ lọc đó.

Bước 7: Nhận tín hiệu từ đối tượng thử nghiệm trên người

Một miếng dán điện cực nên được đặt trên mỗi cổ tay và một miếng dán ở mắt cá chân để tiếp đất. Sử dụng kẹp cá sấu để kết nối hai điện cực cổ tay với đầu vào của bộ khuếch đại thiết bị đo và mắt cá chân với mặt đất. Khi đã sẵn sàng, hãy nhấp vào “chạy” trên chương trình LabView và xem nhịp tim và điện tâm đồ của bạn trên màn hình!