Mạch ghi ECG đơn giản và theo dõi nhịp tim LabVIEW: 5 bước

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

"Đây không phải là thiết bị y tế. Đây chỉ dành cho mục đích giáo dục sử dụng tín hiệu mô phỏng. Nếu sử dụng mạch này để đo điện tâm đồ thực, vui lòng đảm bảo mạch và các kết nối giữa mạch với thiết bị đang sử dụng kỹ thuật cách ly phù hợp."

Một trong những khía cạnh cơ bản nhất của chăm sóc sức khỏe hiện đại, là khả năng ghi lại sóng tim bằng cách sử dụng ECG, hoặc điện tâm đồ. Kỹ thuật này sử dụng các điện cực bề mặt để đo các dạng điện khác nhau phát ra từ tim, do đó đầu ra có thể được sử dụng như một công cụ chẩn đoán để chẩn đoán các tình trạng tim và phổi như các dạng nhịp tim nhanh khác nhau, block nhánh và phì đại. Để chẩn đoán những tình trạng này, dạng sóng đầu ra được so sánh với tín hiệu điện tâm đồ bình thường.

Để tạo ra một hệ thống có thể thu được dạng sóng ECG, tín hiệu trước tiên phải được khuếch đại, và sau đó được lọc thích hợp để loại bỏ nhiễu. Để làm điều này, một mạch ba giai đoạn có thể được xây dựng bằng cách sử dụng các ampe OP.

Có thể hướng dẫn này sẽ cung cấp thông tin cần thiết để thiết kế và sau đó xây dựng một mạch đơn giản có khả năng ghi lại tín hiệu ECG bằng cách sử dụng các điện cực bề mặt, sau đó lọc tín hiệu đó để xử lý và phân tích thêm. Ngoài ra, tài liệu có thể hướng dẫn này sẽ phác thảo một kỹ thuật được sử dụng để phân tích tín hiệu đó nhằm tạo biểu diễn đồ họa của đầu ra mạch, cũng như phương pháp tính nhịp tim từ đầu ra mạch dạng sóng ECG.

Lưu ý: khi thiết kế từng giai đoạn, hãy đảm bảo thực hiện quét AC cả bằng thực nghiệm và thông qua mô phỏng để đảm bảo trạng thái mạch mong muốn.

Bước 1: Thiết kế và chế tạo Bộ khuếch đại dụng cụ

Giai đoạn đầu tiên trong mạch điện tâm đồ này là một bộ khuếch đại thiết bị, bao gồm ba ampe OP. Hai ampe OP đầu tiên là đầu vào đệm, sau đó được đưa vào amp OP thứ ba có chức năng như một bộ khuếch đại vi sai. Các tín hiệu từ cơ thể phải được đệm hoặc nếu không đầu ra sẽ giảm dần vì cơ thể không thể cung cấp nhiều dòng điện. Bộ khuếch đại vi sai đang lấy sự khác biệt giữa hai nguồn đầu vào để cung cấp sự khác biệt tiềm năng có thể đo được, đồng thời loại bỏ tiếng ồn thông thường. Giai đoạn này cũng có mức tăng 1000, khuếch đại mV điển hình lên một điện áp dễ đọc hơn.

Độ lợi mạch 1000 cho bộ khuếch đại thiết bị đo được tính bằng các phương trình được hiển thị. Độ lợi tầng 1 của bộ khuếch đại thiết bị đo đạc được tính bằng (2) và độ lợi tầng 2 của bộ khuếch đại thiết bị đo đạc được tính bằng (3). K1 và K2 được tính toán sao cho chúng không chênh lệch nhau quá 15 giá trị.

Đối với mức tăng 1000, K1 có thể được đặt thành 40 và K2 có thể được đặt thành 25. Tất cả các giá trị điện trở đều có thể được tính toán, nhưng bộ khuếch đại thiết bị cụ thể này đã sử dụng các giá trị điện trở dưới đây:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

Bước 2: Thiết kế và xây dựng Bộ lọc Notch

Giai đoạn tiếp theo là bộ lọc notch để loại bỏ tín hiệu 60 Hz phát ra từ ổ cắm điện.

Trong bộ lọc khía, giá trị điện trở của R1 được tính bằng (4), giá trị của R2 bằng (5) và giá trị của R3 bằng (6). Hệ số chất lượng của mạch, Q, được đặt thành 8 vì điều đó tạo ra một biên độ sai số hợp lý trong khi vẫn chính xác thực tế. Giá trị Q có thể được tính bằng (7). Phương trình điều chỉnh cuối cùng của bộ lọc khía được sử dụng để tính băng thông và được mô tả bởi (8). Ngoài yếu tố chất lượng là 8, bộ lọc notch còn có các thông số kỹ thuật thiết kế khác. Bộ lọc này được thiết kế để có độ lợi 1 để không làm thay đổi tín hiệu, đồng thời loại bỏ tín hiệu 60 Hz.

Theo các phương trình đó, R1 = 11,0524 kΩ, R2 = 2,829 MΩ, R3 = 11,009 kΩ và C1 = 15 nF

Bước 3: Thiết kế và xây dựng Bộ lọc thông thấp Butterworth bậc 2

Giai đoạn cuối cùng, là bộ lọc thông thấp để loại bỏ tất cả các tín hiệu có thể xảy ra trên thành phần tần số cao nhất của sóng ECG, chẳng hạn như tiếng ồn WiFi và các tín hiệu xung quanh khác có thể làm mất tập trung khỏi tín hiệu quan tâm. Điểm -3dB cho giai đoạn này phải nằm trong khoảng hoặc gần 150 Hz, vì dải tín hiệu tiêu chuẩn hiện diện trong dải sóng ECG từ 0,05 Hz đến 150 Hz.

Khi thiết kế bộ lọc Butterworth bậc hai thông thấp, mạch lại được thiết lập để có độ lợi bằng 1, điều này cho phép thiết kế mạch đơn giản hơn. Trước khi thực hiện bất kỳ tính toán nào khác, điều quan trọng cần lưu ý là tần số cắt mong muốn của bộ lọc thông thấp được đặt thành 150 Hz. Dễ nhất là bắt đầu bằng cách tính giá trị của tụ điện 2, C2, vì các phương trình khác phụ thuộc vào giá trị này. C2 có thể được tính bằng (9). Tiến hành tính C2, có thể tính được C1 bằng (10). Trong trường hợp của bộ lọc thông thấp này, các hệ số a và b được xác định trong đó a = 1.414214 và b = 1. Giá trị điện trở của R1 được tính bằng (11) và giá trị điện trở của R2 được tính bằng (12).

Các giá trị sau đã được sử dụng:

R1 = 13,842kΩ

R2 = 54,36kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

Bước 4: Thiết lập chương trình LabVIEW được sử dụng để thu thập và phân tích dữ liệu

Tiếp theo, chương trình máy tính LabView có thể được sử dụng để tạo một nhiệm vụ sẽ tạo ra một biểu diễn đồ họa của nhịp tim từ một tín hiệu ECG và tính toán nhịp tim từ cùng một tín hiệu. Chương trình LabView thực hiện điều này bằng cách chấp nhận đầu vào tương tự từ bảng DAQ, bảng này cũng hoạt động như một bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số. Tín hiệu kỹ thuật số này sau đó được phân tích thêm và vẽ biểu đồ, trong đó biểu đồ cho thấy biểu diễn đồ họa của tín hiệu được đưa vào bảng DAQ. Dạng sóng tín hiệu được phân tích bằng cách lấy 80% giá trị tối đa của tín hiệu kỹ thuật số được chấp nhận, sau đó sử dụng chức năng dò đỉnh để phát hiện các đỉnh này của tín hiệu. Đồng thời, chương trình lấy dạng sóng và tính toán chênh lệch thời gian giữa các đỉnh của dạng sóng. Việc phát hiện đỉnh được kết hợp với các giá trị kèm theo của 1 hoặc 0, trong đó 1 đại diện cho đỉnh để tạo ra chỉ số về vị trí của các đỉnh, và chỉ số này sau đó được sử dụng kết hợp với chênh lệch thời gian giữa các đỉnh để tính toán toán học nhịp tim trong nhịp mỗi phút (BPM). Sơ đồ khối đã được sử dụng trong chương trình LabView được hiển thị.

Bước 5: Toàn bộ lắp ráp

Khi bạn đã xây dựng tất cả các mạch và chương trình LabVIEW và đảm bảo rằng mọi thứ đều hoạt động bình thường, bạn đã sẵn sàng ghi lại tín hiệu ECG. Trong hình là một sơ đồ có thể có của việc lắp ráp hệ thống mạch đầy đủ.

Kết nối điện cực dương với cổ tay phải của bạn và một trong các đầu vào của bộ khuếch đại thiết bị đo được khoanh tròn, và điện cực âm với cổ tay trái của bạn và đầu vào của bộ khuếch đại thiết bị khác như trong hình. Thứ tự đầu vào điện cực không quan trọng. Cuối cùng, đặt một điện cực nối đất trên mắt cá chân của bạn và kết nối với đất trong mạch của bạn. Xin chúc mừng, bạn đã hoàn thành tất cả các bước cần thiết để ghi và phát tín hiệu điện tâm đồ.