Mạch ECG đơn giản và Chương trình nhịp tim LabVIEW: 6 bước

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

Điện tâm đồ, hay còn được gọi là ECG, là một hệ thống chẩn đoán và theo dõi cực kỳ mạnh mẽ được sử dụng trong tất cả các phương pháp y tế. Điện tâm đồ được sử dụng để quan sát hoạt động điện của tim bằng đồ thị để kiểm tra các bất thường về nhịp tim hoặc tín hiệu điện.

Từ kết quả đo điện tâm đồ, nhịp tim của bệnh nhân có thể được xác định bằng khoảng cách thời gian giữa các phức bộ QRS. Ngoài ra, các tình trạng y tế khác có thể được phát hiện như cơn đau tim đang chờ xử lý do đoạn ST chênh lên. Những bài đọc như thế này có thể rất quan trọng để chẩn đoán và điều trị đúng cách cho một bệnh nhân. Sóng P thể hiện sự co bóp của tâm nhĩ, đường cong QRS là sự co bóp của tâm thất, và sóng T là sự tái phân cực của tim. Biết ngay cả những thông tin đơn giản như thế này cũng có thể chẩn đoán bệnh nhân một cách nhanh chóng về chức năng tim bất thường.

Điện tâm đồ tiêu chuẩn được sử dụng trong thực hành y tế có bảy điện cực được đặt theo hình bán nguyệt nhẹ xung quanh vùng dưới của tim. Vị trí đặt các điện cực này cho phép giảm thiểu tiếng ồn khi ghi và cũng cho phép các phép đo nhất quán hơn. Đối với mục đích của chúng tôi về mạch ECG đã tạo, chúng tôi sẽ chỉ sử dụng ba điện cực. Điện cực đầu vào dương sẽ được đặt ở cổ tay bên phải bên trong, điện cực đầu vào âm sẽ được đặt ở cổ tay bên trong bên trái và điện cực nối đất sẽ được nối với mắt cá chân. Điều này sẽ cho phép thực hiện các bài đọc trên tim với độ chính xác tương đối. Với vị trí đặt các điện cực này được kết nối với bộ khuếch đại thiết bị đo, bộ lọc thông thấp và bộ lọc rãnh, các dạng sóng ECG sẽ dễ dàng phân biệt được như một tín hiệu đầu ra từ mạch đã tạo.

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

Bước 1: Xây dựng Bộ khuếch đại thiết bị đo

Để xây dựng một thiết bị đo nhiều tầng với độ lợi 1000 hoặc 60 dB, nên áp dụng phương trình sau.

Độ lợi = (1 + 2 * R1 / Độ lợi)

R1 bằng tất cả các điện trở được sử dụng trong bộ khuếch đại thiết bị đo ngoại trừ điện trở khuếch đại, theo một nghĩa nào đó, tất cả điện trở tăng ích tham gia vào giai đoạn đầu tiên của bộ khuếch đại. Giá trị này được chọn là 50,3 kΩ. Để tính toán điện trở khuếch đại, giá trị này được cắm vào phương trình trên.

1000 = (1 + 2 * 50300 / Rgain)

Rgain = 100,7

Sau khi giá trị này được tính toán, bộ khuếch đại thiết bị đo có thể được xây dựng như mạch sau được trình bày trong bước này. OP / AMP phải được cấp nguồn với 15 vôn dương và âm như trong sơ đồ mạch. Các tụ điện rẽ nhánh cho mỗi OP / AMP nên được đặt gần OP / AMP nối tiếp với nguồn điện để làm giảm tín hiệu AC từ nguồn điện xuống đất để ngăn OP / AMP không bị chiên và bất kỳ tiếng ồn bổ sung nào có thể gây ra đến tín hiệu. Ngoài ra, để kiểm tra độ lợi thực của mạch, nút điện cực dương phải được cung cấp một sóng sin đầu vào và nút điện cực âm phải được nối với đất. Điều này sẽ cho phép nhìn thấy chính xác độ lợi của mạch với tín hiệu đầu vào có giá trị cực đại nhỏ hơn 15 mV.

Bước 2: Xây dựng bộ lọc thông thấp thứ 2

Bộ lọc thông thấp bậc 2 được sử dụng để loại bỏ nhiễu trên tần số quan tâm cho tín hiệu ECG là 150 Hz.

Giá trị K được sử dụng trong các tính toán cho bộ lọc thông thấp bậc 2 là độ lợi. Bởi vì chúng tôi không muốn bất kỳ độ lợi nào trong bộ lọc của mình, chúng tôi đã chọn giá trị độ lợi là 1 có nghĩa là điện áp đầu vào sẽ bằng điện áp đầu ra.

K = 1

Đối với bộ lọc Butterworth bậc hai sẽ được sử dụng cho mạch này, các hệ số a và b được xác định dưới đây. a = 1,414214 b = 1

Đầu tiên, giá trị tụ điện thứ hai được chọn là tụ điện tương đối lớn có sẵn trong phòng thí nghiệm và thế giới thực.

C2 = 0,1 F

Để tính tụ điện thứ nhất, sử dụng các mối quan hệ sau đây giữa nó và tụ điện thứ hai. Các hệ số K, a và b đã được đưa vào phương trình để tính giá trị này nên là bao nhiêu.

C1 <= C2 * [a ^ 2 + 4b (K-1)] / 4b

C1 <= (0,1 * 10 ^ -6 [1,414214 ^ 2 + 4 * 1 (1-1)] / 4 * 1

C1 <= 50 nF

Bởi vì tụ điện đầu tiên được tính là nhỏ hơn hoặc bằng 50 nF, nên giá trị tụ điện sau được chọn.

C1 = 33 nF

Để tính toán điện trở đầu tiên cần thiết cho bộ lọc thông thấp bậc hai này với tần số cắt là 150 Hz, phương trình sau đây được giải bằng cách sử dụng cả giá trị tụ điện được tính toán và các hệ số K, a và b. R1 = 2 / [(tần số cắt) * [aC2 * sqrt ([(a ^ 2 + 4b (K-1)) C2 ^ 2-4bC1C2])]

R1 = 9478 Ohm

Để tính toán điện trở thứ hai, công thức sau đây đã được sử dụng. Tần số cắt lại là 150 Hz và hệ số b là 1.

R2 = 1 / [bC1C2R1 (tần số cắt) ^ 2]

R2 = 35,99 kOhmSau khi tính toán các giá trị trên cho các điện trở và tụ điện cần thiết cho bộ lọc rãnh bậc hai, mạch sau được tạo để hiển thị bộ lọc thông thấp hoạt động sẽ được sử dụng. OP / AMP được cấp nguồn với 15 vôn dương và âm như trong sơ đồ. Các tụ điện rẽ nhánh được kết nối với các nguồn điện để bất kỳ tín hiệu AC nào đi ra khỏi nguồn đều được chuyển hướng xuống đất để đảm bảo OP / AMP không bị nhiễu bởi tín hiệu này. Để kiểm tra giai đoạn này của mạch ECG, nút tín hiệu đầu vào phải được kết nối với sóng sin và thực hiện quét AC từ 1 Hz đến 200 Hz để xem bộ lọc hoạt động như thế nào.

Bước 3: Xây dựng Bộ lọc Notch

Bộ lọc notch là một bộ phận cực kỳ quan trọng của nhiều mạch để đo tín hiệu tần số thấp. Ở tần số thấp, tiếng ồn xoay chiều 60 Hz là cực kỳ phổ biến vì nó là tần số của dòng điện xoay chiều chạy qua các tòa nhà ở Hoa Kỳ. Tiếng ồn 60 Hz đó là bất tiện vì nó nằm ở giữa dải tần cho ECG, nhưng một bộ lọc notch có thể loại bỏ các tần số cụ thể trong khi vẫn bảo toàn phần còn lại của tín hiệu. Khi thiết kế bộ lọc khía này, điều rất quan trọng là phải có hệ số chất lượng cao, Q, để đảm bảo rằng phần cuộn của phần cắt là sắc nét xung quanh điểm quan tâm. Dưới đây trình bày chi tiết các tính toán được sử dụng để tạo bộ lọc rãnh tích cực sẽ được sử dụng trong mạch điện tâm đồ.

Đầu tiên tần số quan tâm, 60 Hz phải được chuyển đổi từ Hz sang rad / s.

tần số = 2 * pi * tần số

tần số = 376,99 rad / giây

Tiếp theo, băng thông của các tần số bị cắt phải được tính toán. Các giá trị này được xác định theo cách đảm bảo rằng tần số quan tâm chính, 60 Hz, bị cắt hoàn toàn và chỉ một số tần số xung quanh bị ảnh hưởng nhẹ.

Băng thông = Cutoff2-Cutoff1

Băng thông = 37,699 Yếu tố chất lượng phải được xác định tiếp theo. Yếu tố chất lượng xác định độ sắc nét của rãnh và độ hẹp bắt đầu của vết cắt. Điều này được tính toán bằng cách sử dụng băng thông và tần suất quan tâm. Q = tần số / Chiều rộng băng tần

Q = 10

Giá trị tụ điện sẵn có được chọn cho bộ lọc này. Tụ điện không cần lớn và chắc chắn không được quá nhỏ.

C = 100 nF

Để tính toán điện trở đầu tiên được sử dụng trong bộ lọc khía tích cực này, mối quan hệ sau đây được sử dụng liên quan đến hệ số chất lượng, tần số quan tâm và tụ điện được chọn.

R1 = 1 / [tần số 2QC *]

R1 = 1326,29 Ohm

Điện trở thứ hai được sử dụng trong bộ lọc này được tính theo mối quan hệ sau.

R2 = 2Q / [tần số * C]

R2 = 530516 Ohm

Điện trở cuối cùng cho bộ lọc này được tính bằng cách sử dụng hai giá trị điện trở trước đó. Nó được mong đợi là rất giống với điện trở đầu tiên được tính toán.

R3 = R1 * R2 / [R1 + R2]

R3 = 1323 Ohm

Sau khi tất cả các giá trị thành phần được tính toán bằng cách sử dụng các phương trình mô tả ở trên, bộ lọc khía sau phải được xây dựng để lọc chính xác nhiễu AC 60 Hz sẽ làm gián đoạn tín hiệu ECG. OP / AMP phải được cấp nguồn với 15 vôn dương và âm như trong mạch bên dưới. Các tụ điện rẽ nhánh được kết nối từ nguồn điện trên OP / AMP để mọi tín hiệu AC đến từ nguồn điện đều được chuyển hướng xuống đất để đảm bảo OP / AMP không bị chiên. nên được kết nối với sóng hình sin và quét AC nên được thực hiện từ 40 Hz đến 80 Hz để xem việc lọc tín hiệu 60 Hz.

Bước 4: Tạo chương trình LabVIEW để tính nhịp tim

LabVIEW là một công cụ hữu ích để chạy các thiết bị cũng như thu thập dữ liệu. Để thu thập dữ liệu ECG, bảng DAQ được sử dụng sẽ đọc điện áp đầu vào với tốc độ lấy mẫu 1 kHz. Các điện áp đầu vào này sau đó được xuất ra một biểu đồ được sử dụng để hiển thị bản ghi điện tâm đồ. Dữ liệu được thu thập sau đó sẽ đi qua một công cụ tìm tối đa để xuất ra các giá trị lớn nhất đã đọc. Các giá trị này cho phép tính toán ngưỡng đỉnh ở 98% đầu ra tối đa. Sau đó, một bộ dò đỉnh được sử dụng để xác định khi nào dữ liệu lớn hơn ngưỡng đó. Dữ liệu này cùng với thời gian giữa các đỉnh có thể được sử dụng để xác định nhịp tim. Phép tính đơn giản này chính xác sẽ xác định nhịp tim từ điện áp đầu vào được đọc bởi bảng DAQ.

Bước 5: Thử nghiệm

Sau khi xây dựng các mạch của bạn, bạn đã sẵn sàng để đưa chúng vào hoạt động! Đầu tiên, mỗi giai đoạn nên được kiểm tra với một tần số quét AC từ 0,05 Hz đến 200 Hz. Điện áp đầu vào không được lớn hơn 15 mV từ đỉnh đến đỉnh để tín hiệu không bị giới hạn bởi OP / AMP. Tiếp theo, kết nối tất cả các mạch và chạy lại toàn bộ AC để đảm bảo mọi thứ hoạt động bình thường. Sau khi bạn hài lòng với đầu ra của mạch hoàn chỉnh, đã đến lúc bạn tự kết nối với nó. Đặt điện cực dương trên cổ tay phải và điện cực âm trên cổ tay trái. Đặt điện cực nối đất trên mắt cá chân của bạn. Kết nối đầu ra của mạch hoàn chỉnh với bảng DAQ của bạn và chạy chương trình LabVIEW. Tín hiệu ECG của bạn bây giờ sẽ hiển thị trên đồ thị dạng sóng trên máy tính. Nếu không hoặc bị méo, hãy thử giảm độ lợi của mạch xuống khoảng 10 bằng cách thay đổi điện trở độ lợi cho phù hợp. Điều này sẽ cho phép chương trình LabVIEW đọc tín hiệu.