Mạch điện tâm đồ (ECG): 7 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.

Chúng tôi là hai sinh viên ngành Kỹ thuật Y sinh và sau khi tham gia lớp học mạch đầu tiên, chúng tôi khá hào hứng và quyết định sử dụng những điều cơ bản đã học để làm một việc hữu ích: hiển thị điện tâm đồ và đọc nhịp tim. Đây sẽ là mạch phức tạp nhất mà chúng tôi đã chế tạo!

Một số thông tin cơ bản về điện tâm đồ:

Nhiều thiết bị điện được sử dụng để đo và ghi lại hoạt động sinh học trong cơ thể con người. Một trong những thiết bị như vậy là điện tâm đồ, đo các tín hiệu điện do tim tạo ra. Những tín hiệu này cung cấp thông tin khách quan về cấu trúc và chức năng của tim. Điện tâm đồ lần đầu tiên được phát triển vào năm 1887 và mang đến cho các bác sĩ một phương pháp mới để chẩn đoán các biến chứng tim. Điện tâm đồ có thể phát hiện nhịp tim, nhịp tim, các cơn đau tim, lượng máu và oxy cung cấp cho tim không đủ và các bất thường về cấu trúc. Sử dụng thiết kế mạch đơn giản, một ECG có thể được tạo ra có thể theo dõi tất cả những điều này.

Bước 1: Vật liệu

Xây dựng mạch

Vật liệu cơ bản cần thiết để xây dựng mạch được hiển thị trong hình ảnh. Chúng bao gồm:

• Breadboard

• Mổ nội soi

  • Tất cả các amps op được sử dụng trong mạch này là LM741.
  • Để biết thêm thông tin, hãy xem biểu dữ liệu:
• Điện trở
• Tụ điện
• Dây điện

• Điện cực dính

  Những thứ này chỉ cần thiết nếu bạn quyết định thử mạch trên người thật

Phần mềm được sử dụng bao gồm:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab hoặc PSpice để mô phỏng để kiểm tra các giá trị

• Excel

  Điều này rất được khuyến khích trong trường hợp bạn cần thay đổi bất kỳ đặc tính nào của mạch. Bạn cũng có thể cần phải chơi với các con số cho đến khi bạn tìm thấy các giá trị điện trở và tụ điện có sẵn. Tính toán bằng bút và giấy không được khuyến khích cho cái này! Chúng tôi đã đính kèm các tính toán bảng tính của mình để đưa ra ý tưởng

Kiểm tra mạch

Bạn cũng sẽ cần một số thiết bị điện tử lớn hơn:

• Nguồn điện DC
• Bo mạch DAQ để giao tiếp mạch với LabVIEW
• Bộ tạo chức năng để kiểm tra mạch
• Máy hiện sóng để kiểm tra mạch

Bước 2: Bộ khuếch đại thiết bị đo

Tại sao chúng ta cần nó:

Chúng tôi sẽ xây dựng một bộ khuếch đại thiết bị để khuếch đại biên độ nhỏ đo được từ cơ thể. Sử dụng hai bộ khuếch đại trong giai đoạn đầu tiên của chúng tôi sẽ cho phép chúng tôi loại bỏ tiếng ồn do cơ thể tạo ra (sẽ giống nhau ở cả hai điện cực). Chúng tôi sẽ sử dụng hai giai đoạn về mức tăng bằng nhau - điều này bảo vệ người dùng nếu hệ thống được kết nối với một người bằng cách ngăn tất cả mức tăng xảy ra ở một nơi. Vì biên độ bình thường của tín hiệu ECG là từ 0,1 đến 5 mV, chúng tôi muốn độ lợi của bộ khuếch đại thiết bị đo đạc là khoảng 100. Dung sai có thể chấp nhận được đối với độ lợi là 10%.

Làm thế nào để xây dựng nó:

Sử dụng các thông số kỹ thuật này và các phương trình trong bảng (hình ảnh đính kèm), chúng tôi thấy các giá trị điện trở của chúng tôi là R1 = 1,8 kiloOhms, R2 = 8,2 kiloOhms, R3 = 1,5 kiloOhms và R4 = 15 kiloOhms. K1 là mức tăng của giai đoạn đầu tiên (OA1 và OA2), và K2 là mức tăng của giai đoạn thứ hai (OA3). Các tụ điện bỏ qua có điện dung bằng nhau được sử dụng trên các bộ nguồn của bộ khuếch đại hoạt động để loại bỏ tiếng ồn.

Làm thế nào để kiểm tra nó:

Bất kỳ tín hiệu nào được đưa vào bộ khuếch đại thiết bị đo sẽ được khuếch đại lên 100. Sử dụng dB = 20log (Vout / Vin), điều này có nghĩa là tỷ lệ 40 dB. Bạn có thể mô phỏng điều này trong PSpice hoặc CircuitLab, hoặc kiểm tra thiết bị vật lý, hoặc cả hai!

Hình ảnh máy hiện sóng đính kèm cho thấy mức tăng 1000. Đối với điện tâm đồ thực, mức này quá cao!

Bước 3: Bộ lọc Notch

Tại sao chúng ta cần nó:

Chúng tôi sẽ sử dụng bộ lọc notch để loại bỏ tiếng ồn 60 Hz có trong tất cả các nguồn cung cấp điện ở Hoa Kỳ.

Làm thế nào để xây dựng nó:

Chúng tôi sẽ đặt hệ số chất lượng Q là 8, điều này sẽ cung cấp đầu ra lọc có thể chấp nhận được trong khi vẫn giữ các giá trị thành phần trong phạm vi khả thi. Chúng tôi cũng đặt giá trị tụ điện là 0,1 μF để các phép tính chỉ ảnh hưởng đến điện trở. Các giá trị điện trở được tính toán và sử dụng có thể được xem trong bảng (trong hình ảnh) hoặc bên dưới

• Q = w / B

  đặt Q thành 8 (hoặc chọn của riêng bạn dựa trên nhu cầu của riêng bạn)

• w = 2 * pi * f

  sử dụng f = 60 Hz

• NS

  đặt thành 0,1 uF (hoặc chọn giá trị của riêng bạn từ các tụ điện có sẵn)

• R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

  Tính toán. Giá trị của chúng tôi là 1,66 kohm

• R2 = 2 * Q / (w * C)

  Tính toán. Giá trị của chúng tôi là 424,4 kohm

• R3 = R1 * R2 / (R1 + R2)

  Tính toán. Giá trị của chúng tôi là 1,65 kohm

Làm thế nào để kiểm tra nó:

Bộ lọc khía phải vượt qua tất cả các tần số không thay đổi ngoại trừ những tần số xung quanh 60 Hz. Điều này có thể được kiểm tra bằng quét AC. Bộ lọc có mức tăng -20 dB ở tần số 60 Hz được coi là tốt. Bạn có thể mô phỏng điều này trong PSpice hoặc CircuitLab, hoặc kiểm tra thiết bị vật lý, hoặc cả hai!

Loại bộ lọc có rãnh này có thể tạo ra một rãnh tốt trong quá trình quét AC mô phỏng, nhưng một thử nghiệm vật lý cho thấy rằng các giá trị ban đầu của chúng tôi đã tạo ra một rãnh ở tần số thấp hơn dự định. Để khắc phục điều này, chúng tôi đã tăng R2 lên khoảng 25 kohm.

Hình ảnh máy hiện sóng cho thấy bộ lọc làm giảm đáng kể cường độ tín hiệu đầu vào ở tần số 60 Hz. Biểu đồ cho thấy mức quét AC cho bộ lọc khía chất lượng cao.

Bước 4: Bộ lọc thông thấp

Tại sao chúng ta cần nó:

Giai đoạn cuối cùng của thiết bị là một bộ lọc thông thấp đang hoạt động. Tín hiệu ECG được tạo ra từ nhiều dạng sóng khác nhau, mỗi dạng có tần số riêng. Chúng tôi muốn ghi lại tất cả những thứ này mà không có bất kỳ tiếng ồn tần số cao nào. Tần số cắt tiêu chuẩn cho màn hình điện tâm đồ là 150 Hz được chọn. (Mức giới hạn cao hơn đôi khi được chọn để theo dõi các vấn đề về tim cụ thể, nhưng đối với dự án của chúng tôi, chúng tôi sẽ sử dụng mức giới hạn bình thường.)

Nếu bạn muốn tạo một mạch đơn giản hơn, bạn cũng có thể sử dụng bộ lọc thông thấp thụ động. Điều này sẽ không bao gồm một amp op và sẽ chỉ bao gồm một điện trở mắc nối tiếp với một tụ điện. Điện áp đầu ra sẽ được đo trên tụ điện.

Làm thế nào để xây dựng nó:

Chúng tôi sẽ thiết kế nó như một bộ lọc Butterworth bậc hai, có hệ số a và b lần lượt bằng 1,414214 và 1. Đặt độ lợi thành 1 làm cho bộ khuếch đại hoạt động thành một bộ theo điện áp. Các phương trình và giá trị được chọn được hiển thị trong bảng (trong hình ảnh) và bên dưới.

• w = 2 * pi * f

  đặt f = 150 Hz

• C2 = 10 / f

  Tính toán. Giá trị của chúng tôi là 0,067 uF

• C1 <= C2 * (a ^ 2) / (4b)

  Tính toán. Giá trị của chúng tôi là 0,033 uF

• R1 = 2 / (w * (aC2 + sqrt (a ^ 2 * C2 ^ 2-4b * C1 * C2)))

  Tính toán. Giá trị của chúng tôi là 18,836 kohm

• R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2)

  Tính toán. Giá trị của chúng tôi là 26,634 kohm

Làm thế nào để kiểm tra nó:

Bộ lọc phải vượt qua các tần số dưới ngưỡng không thay đổi. Điều này có thể được kiểm tra bằng cách sử dụng quét AC. Bạn có thể mô phỏng điều này trong PSpice hoặc CircuitLab, hoặc kiểm tra thiết bị vật lý, hoặc cả hai!

Hình ảnh máy hiện sóng cho thấy phản ứng của bộ lọc ở 100 Hz, 150 Hz và 155 Hz. Mạch vật lý của chúng tôi có mức cắt gần hơn tới 155 Hz, được hiển thị bằng tỷ lệ -3 dB.

Bước 5: Bộ lọc thông cao

Tại sao chúng ta cần nó:

Bộ lọc thông cao được sử dụng để các tần số dưới một giá trị ngưỡng nhất định không được ghi lại, cho phép tín hiệu sạch đi qua. Tần số cắt được chọn là 0,5 Hz (một giá trị tiêu chuẩn cho màn hình điện tâm đồ).

Làm thế nào để xây dựng nó:

Các giá trị điện trở và tụ điện cần thiết để đạt được điều này được xem dưới đây. Điện trở thực tế của chúng tôi được sử dụng là 318,2 kohm.

• R = 1 / (2 * pi * f * C)

  • đặt f = 0,5 Hz và C = 1 uF
  • Tính R. Giá trị của chúng ta là 318.310 kohm

Làm thế nào để kiểm tra nó:

Bộ lọc phải vượt qua các tần số trên ngưỡng không thay đổi. Điều này có thể được kiểm tra bằng cách sử dụng quét AC. Bạn có thể mô phỏng điều này trong PSpice hoặc CircuitLab, hoặc kiểm tra thiết bị vật lý, hoặc cả hai!

Bước 6: Thiết lập LabVIEW

Lưu đồ đưa ra ý tưởng thiết kế của phần LabVIEW của dự án ghi lại tín hiệu ở tốc độ lấy mẫu cao và hiển thị nhịp tim (BPM) và ECG. Mạch LabView của chúng tôi chứa các thành phần sau: trợ lý DAQ, mảng chỉ mục, toán tử số học, phát hiện đỉnh, chỉ báo số, biểu đồ dạng sóng, thay đổi trong thời gian, định danh tối đa / phút và hằng số. Bộ trợ lý DAQ được thiết lập để lấy mẫu liên tục với tốc độ 1 kHz, với số lượng mẫu thay đổi trong khoảng từ 3 000 đến 5 000 mẫu cho mục đích phát hiện đỉnh và độ rõ tín hiệu.

Di chuột qua các thành phần khác nhau trong sơ đồ mạch để đọc vị trí trong LabVIEW để tìm chúng!

Bước 7: Thu thập dữ liệu

Bây giờ mạch đã được lắp ráp, dữ liệu có thể được thu thập để xem nó có hoạt động không! Gửi điện tâm đồ mô phỏng qua mạch ở tần số 1 Hz. Kết quả phải là một tín hiệu điện tâm đồ sạch, nơi có thể thấy rõ phức bộ QRS, sóng P và sóng T. Nhịp tim cũng phải hiển thị 60 nhịp mỗi phút (bpm). Để kiểm tra thêm mạch và thiết lập LabVIEW, hãy thay đổi tần số thành 1,5 Hz và 0,5 Hz. Nhịp tim sẽ thay đổi lần lượt là 90 bpm và 30 bpm.

Để nhịp tim chậm hơn được hiển thị chính xác, bạn có thể cần điều chỉnh cài đặt DAQ để hiển thị nhiều sóng hơn trên mỗi biểu đồ. Điều này có thể được thực hiện bằng cách tăng số lượng mẫu.

Nếu bạn chọn kiểm tra thiết bị trên người, hãy chắc chắn rằng nguồn điện bạn đang sử dụng cho op amps giới hạn dòng điện ở mức 0,015 mA! Có một số cấu hình dây dẫn được chấp nhận nhưng chúng tôi đã chọn đặt điện cực dương ở mắt cá chân trái, điện cực âm trên cổ tay phải và điện cực đất ở mắt cá chân phải như trong hình đính kèm.

Sử dụng một số khái niệm mạch điện cơ bản và kiến thức của chúng tôi về trái tim con người, chúng tôi đã chỉ cho bạn cách tạo ra một thiết bị thú vị và hữu ích. Chúng tôi hy vọng bạn thích hướng dẫn của chúng tôi!