Thiết kế mạch và màn hình kỹ thuật số điện tâm đồ: 5 bước

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

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

Mục tiêu của dự án này là xây dựng một mạch có thể khuếch đại và lọc tín hiệu ECG, còn được gọi là điện tâm đồ. Điện tâm đồ có thể được sử dụng để xác định nhịp tim và nhịp tim, vì nó có thể phát hiện các tín hiệu điện đi qua các bộ phận khác nhau của tim trong các giai đoạn khác nhau của chu kỳ tim. Ở đây chúng tôi sử dụng bộ khuếch đại thiết bị đo, bộ lọc rãnh và bộ lọc thông thấp để khuếch đại và lọc điện tâm đồ. Sau đó, sử dụng LabView, nhịp mỗi phút được tính toán và biểu diễn đồ họa của ECG được hiển thị. Thành phẩm có thể được nhìn thấy ở trên.

Bước 1: Bộ khuếch đại thiết bị đo

Độ lợi cần thiết cho bộ khuếch đại thiết bị đo là 1000 V / V. Điều này sẽ cho phép khuếch đại đủ tín hiệu đến nhỏ hơn nhiều. Bộ khuếch đại thiết bị đo đạc được chia thành hai phần, Giai đoạn 1 và Giai đoạn 2. Hệ số khuếch đại của mỗi giai đoạn (K) phải giống nhau, để khi nhân với nhau, hệ số khuếch đại là khoảng 1000. Các phương trình dưới đây được sử dụng để tính toán độ lợi.

K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

K2 = -R4 / R3

Từ các phương trình này, các giá trị của R1, R2, R3 và R4 đã được tìm thấy. Để xây dựng mạch như trong hình, ba bộ khuếch đại hoạt động uA741 và điện trở đã được sử dụng. Bộ khuếch đại op được cấp nguồn 15V từ nguồn điện một chiều. Đầu vào của Bộ khuếch đại dụng cụ được kết nối với Máy phát chức năng và đầu ra được kết nối với Máy hiện sóng. Sau đó, một quá trình quét AC đã được thực hiện và mức tăng của Bộ khuếch đại đo lường được tìm thấy, như có thể thấy trên biểu đồ "Mức tăng của Bộ khuếch đại thiết bị đo" ở trên. Cuối cùng, mạch đã được tạo lại trong LabView, nơi một mô phỏng về độ lợi được chạy, như có thể thấy trong biểu đồ màu đen ở trên. Kết quả xác nhận mạch hoạt động chính xác.

Bước 2: Bộ lọc Notch

Bộ lọc khía được sử dụng để loại bỏ tiếng ồn xuất hiện ở tần số 60 Hz. Giá trị của các thành phần có thể được tính toán bằng cách sử dụng các công thức dưới đây. Hệ số chất lượng (Q) là 8 đã được sử dụng. C đã được chọn với các tụ điện có sẵn.

R1 = 1 / (2 * Q * ω * C)

R2 = 2 * Q / (ω * C)

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

Các giá trị điện trở và tụ điện đã được tìm thấy và mạch ở trên đã được xây dựng, các giá trị tính toán có thể được nhìn thấy ở đó. Bộ khuếch đại hoạt động được cung cấp bởi Nguồn điện một chiều, với đầu vào được kết nối với Máy phát chức năng và đầu ra với Máy hiện sóng. Chạy AC Sweep dẫn đến biểu đồ "Notch Filter AC Sweep" ở trên, cho thấy rằng tần số 60 Hz đã bị loại bỏ. Để xác nhận điều này, một mô phỏng LabView đã được chạy để xác nhận kết quả.

Bước 3: Bộ lọc thông thấp

Bộ lọc thông thấp Butterworth bậc hai được sử dụng, với tần số cắt là 250Hz. Để giải các giá trị của điện trở và tụ điện, các phương trình dưới đây đã được sử dụng. Đối với các phương trình này, tần số cắt tính bằng Hz được thay đổi thành rad / giây, được tìm thấy là 1570,8. Mức tăng K = 1 đã được sử dụng. Giá trị của a và b được cung cấp lần lượt là 1,414214 và 1.

R1 = 2 / (wc (a C2 + sqrt (a ^ 2 + 4 b (K - 1)) C2 ^ 2 - 4 b C1 C2))

R2 = 1 / (b C1 C2 R1 wc ^ 2)

R3 = K (R1 + R2) / (K - 1)

R4 = K (R1 + R2)

C1 = (C2 (a ^ 2 + 4 b (K-1)) / (4 b)

C2 = (10 / fc)

Khi các giá trị đã được tính toán, mạch được xây dựng với các giá trị, có thể được nhìn thấy trong một trong các hình ảnh ở trên. Cần lưu ý rằng vì mức tăng 1 đã được sử dụng, R3 được thay thế bằng một mạch hở và R4 được thay thế bằng một đoạn ngắn mạch. Khi mạch đã được lắp ráp, amp op được cấp nguồn 15V từ Nguồn điện một chiều. Tương tự như các thành phần khác, đầu vào và đầu ra được kết nối tương ứng với Máy phát chức năng và Máy hiện sóng. Một âm mưu của việc quét AC đã được tạo, được nhìn thấy trong "Quét AC của Bộ lọc Thông thấp" ở trên. Cốt truyện màu đen trong mô phỏng LabView của mạch, xác nhận kết quả của chúng tôi.

Bước 4: LabVIEW

Chương trình LabVIEW được hiển thị trong hình ảnh được sử dụng để tính toán nhịp mỗi phút và để hiển thị hình ảnh của ECG đầu vào. DAQ Assistant thu nhận tín hiệu đầu vào và thiết lập các thông số lấy mẫu. Sau đó, biểu đồ dạng sóng vẽ biểu đồ đầu vào mà DAQ nhận được trên giao diện người dùng để hiển thị cho người dùng. Nhiều phân tích được thực hiện trên dữ liệu đầu vào. Các giá trị lớn nhất của dữ liệu đầu vào được tìm thấy bằng cách sử dụng Số nhận dạng Tối đa / Tối thiểu và các tham số để phát hiện các đỉnh được đặt bằng cách sử dụng Phát hiện Đỉnh. Sử dụng một mảng chỉ mục về vị trí của các đỉnh, thời gian giữa các giá trị lớn nhất được đưa ra bởi thành phần Thay đổi trong thời gian và các phép toán số học khác nhau, BPM được tính toán và hiển thị dưới dạng đầu ra số.

Bước 5: Hoàn thành mạch

Sau khi tất cả các thành phần được kết nối, toàn bộ hệ thống đã được kiểm tra với tín hiệu ECG mô phỏng. Sau đó, mạch được sử dụng để lọc và khuếch đại ECG của con người với kết quả được hiển thị thông qua chương trình LabView nói trên. Các điện cực được gắn vào cổ tay phải, cổ tay trái và mắt cá chân trái. Cổ tay trái và cổ tay phải được kết nối với đầu vào của bộ khuếch đại thiết bị đo, trong khi mắt cá chân trái được kết nối với mặt đất. Đầu ra của bộ lọc thông thấp sau đó được kết nối với DAQ Assistant. Sử dụng cùng một sơ đồ khối LabView từ trước, chương trình đã được chạy. Khi điện tâm đồ của con người đi qua, một tín hiệu rõ ràng và ổn định đã được nhìn thấy từ đầu ra của hệ thống đầy đủ, có thể được nhìn thấy trong hình trên.