Điện tâm đồ kỹ thuật số và theo dõi nhịp tim: 8 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 nguồn pin và các kỹ thuật cách ly thích hợp khác

Điện tâm đồ (ECG) ghi lại các tín hiệu điện trong chu kỳ tim. Mỗi khi tim đập, có một chu kỳ khử cực và tăng phân cực của tế bào cơ tim. Quá trình khử cực và siêu phân cực có thể được ghi lại bằng các điện cực và các bác sĩ đọc thông tin đó để tìm hiểu thêm về cách hoạt động của tim. Điện tâm đồ có thể xác định nhồi máu cơ tim, rung nhĩ hoặc thất, nhịp tim nhanh và nhịp tim chậm [1]. Sau khi xác định vấn đề là gì từ điện tâm đồ, các bác sĩ có thể chẩn đoán và điều trị thành công cho bệnh nhân. Hãy làm theo các bước dưới đây để biết cách làm thiết bị ghi điện tâm đồ của riêng bạn!

Bước 1: Vật liệu

Các thành phần mạch:

• Năm bộ khuếch đại hoạt động UA741
• Điện trở
• Tụ điện
• Dây nhảy
• Bảng DAQ
• Phần mềm LabVIEW

Kiểm tra thiết bị:

• Máy phát chức năng
• Nguồn điện DC
• Máy hiện sóng
• Cáp BNC và bộ chia T
• Cáp nhảy
• Clip cá sấu
• Chuối cắm

Bước 2: Bộ khuếch đại thiết bị đo

Giai đoạn đầu tiên của mạch là một bộ khuếch đại thiết bị đo. Điều này khuếch đại tín hiệu sinh học để các thành phần khác nhau của điện tâm đồ có thể được phân biệt.

Sơ đồ mạch cho bộ khuếch đại thiết bị đo được hiển thị ở trên. Mức tăng đầu tiên của mạch này được xác định là K1 = 1 + 2 * R2 / R1. Mức tăng thứ hai của mạch được xác định là K2 = R4 / R3. Độ lợi tổng thể của bộ khuếch đại thiết bị đo là K1 * K2. Mức tăng mong muốn cho dự án này là khoảng 1000, vì vậy K1 được chọn là 31 và K2 được chọn là 33. Giá trị điện trở cho các mức tăng này được trình bày ở trên trong sơ đồ mạch. Bạn có thể sử dụng các giá trị điện trở được hiển thị ở trên hoặc bạn có thể sửa đổi các giá trị để đáp ứng độ lợi mong muốn của mình. **

Khi bạn đã chọn các giá trị linh kiện của mình, mạch có thể được xây dựng trên bảng mạch. Để đơn giản hóa các kết nối mạch trên bảng mạch, thanh ray ngang âm trên cùng được đặt làm mặt đất trong khi hai thanh ray ngang ở phía dưới được đặt tương ứng là +/- 15V.

Bộ khuếch đại op đầu tiên được đặt ở phía bên trái của breadboard để dành không gian cho tất cả các thành phần còn lại. Các tệp đính kèm đã được thêm vào theo thứ tự thời gian của các ghim. Điều này giúp bạn dễ dàng theo dõi những phần đã được thêm vào hay chưa. Khi tất cả các chân đã hoàn thành cho op amp 1, op amp tiếp theo có thể được đặt. Một lần nữa, hãy đảm bảo rằng nó tương đối gần để chừa khoảng trống. Quá trình ghim theo thứ tự thời gian tương tự đã được hoàn thành cho tất cả các amp op cho đến khi bộ khuếch đại thiết bị đo đạc hoàn thành.

Các tụ điện bỏ qua sau đó được thêm vào sơ đồ mạch để loại bỏ khớp nối AC trong dây dẫn. Các tụ điện này được đặt song song với nguồn điện áp một chiều và nối đất trên đường ray âm nằm ngang phía trên. Các tụ điện này phải nằm trong khoảng 0,1 đến 1 microFarad. Mỗi op amp có hai tụ điện rẽ nhánh, một cho chân 4 và một cho chân 7. Hai tụ điện trên mỗi op amp phải có cùng giá trị, nhưng có thể thay đổi từ op amp này sang op amp khác.

Để kiểm tra độ khuếch đại, một máy phát chức năng và máy hiện sóng được kết nối tương ứng với đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại. Tín hiệu đầu vào cũng được kết nối với máy hiện sóng. Một sóng hình sin đơn giản đã được sử dụng để xác định độ khuếch đại. Đưa đầu ra của bộ tạo chức năng vào hai cực đầu vào của bộ khuếch đại thiết bị đo. Đặt máy hiện sóng để đo tỷ lệ của tín hiệu đầu ra với tín hiệu đầu vào. Độ lợi của một mạch tính bằng decibel là Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). Đối với mức tăng 1000, mức tăng theo decibel là 60dB. Sử dụng máy hiện sóng, bạn có thể xác định xem hệ số khuếch đại của mạch đã xây dựng có đáp ứng các thông số kỹ thuật của bạn hay không hoặc nếu bạn cần thay đổi một số giá trị điện trở để cải thiện mạch của mình.

Sau khi bộ khuếch đại thiết bị được lắp ráp và hoạt động chính xác, bạn có thể chuyển sang bộ lọc notch.

** Trong sơ đồ mạch trên, R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Bước 3: Bộ lọc Notch

Mục đích của bộ lọc khía là loại bỏ tiếng ồn từ nguồn điện trên tường 60 Hz. Một bộ lọc notch làm suy giảm tín hiệu ở tần số cắt và chuyển các tần số ở trên và dưới tần số đó. Đối với mạch này, tần số cắt mong muốn là 60 Hz.

Các phương trình điều chỉnh cho sơ đồ mạch được hiển thị ở trên là R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) và R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), trong đó Q là hệ số chất lượng và w là 2 * pi * (tần số cắt). Hệ số chất lượng bằng 8 cho giá trị điện trở và tụ điện trong phạm vi hợp lý. Các giá trị của tụ điện có thể giống nhau. Do đó, bạn có thể chọn một giá trị tụ điện có sẵn trong bộ dụng cụ của mình. Các giá trị điện trở trong đoạn mạch trên là của tần số cắt là 60 Hz, hệ số chất lượng bằng 8 và giá trị của tụ điện là 0,22 uF.

Vì các tụ điện mắc thêm song song nên đặt song song hai tụ điện có giá trị C đã chọn để đạt giá trị 2C. Ngoài ra, các tụ điện bỏ qua đã được thêm vào op amp.

Để kiểm tra bộ lọc rãnh, hãy kết nối đầu ra từ bộ tạo chức năng với đầu vào của bộ lọc rãnh. Quan sát đầu vào và đầu ra của mạch trên máy hiện sóng. Để có một bộ lọc khía hiệu quả, bạn nên có mức khuếch đại nhỏ hơn hoặc bằng -20dB ở tần số cắt. Vì các thành phần không lý tưởng, điều này có thể khó đạt được. Các giá trị điện trở và tụ điện được tính toán có thể không cung cấp cho bạn độ lợi mong muốn. Điều này sẽ yêu cầu bạn thực hiện các thay đổi đối với các giá trị điện trở và tụ điện.

Để làm như vậy, hãy tập trung vào một thành phần tại một thời điểm. Tăng và giảm giá trị của một thành phần duy nhất mà không thay đổi bất kỳ thành phần nào khác. Quan sát ảnh hưởng của điều này đối với độ lợi của mạch. Điều này có thể đòi hỏi rất nhiều kiên nhẫn để đạt được lợi ích mong muốn. Hãy nhớ rằng, bạn có thể thêm điện trở nối tiếp để tăng hoặc giảm giá trị điện trở. Thay đổi giúp cải thiện mức lợi ích của chúng tôi nhiều nhất là tăng một trong các tụ điện lên 0,33 uF.

Bước 4: Bộ lọc thông thấp

Bộ lọc thông thấp loại bỏ nhiễu tần số cao hơn có thể gây nhiễu tín hiệu ECG. Mức cắt tần số thấp 40 Hz là đủ để nắm bắt thông tin dạng sóng ECG. Tuy nhiên, một số thành phần của điện tâm đồ vượt quá 40 Hz. Cũng có thể sử dụng mức cắt 100 Hz hoặc 150 Hz [2].

Bộ lọc thông thấp được xây dựng là bộ lọc Butterworth bậc hai. Vì độ lợi của mạch của chúng ta được xác định bởi bộ khuếch đại thiết bị đo, chúng ta muốn độ lợi bằng 1 trong dải tần cho bộ lọc thông thấp. Đối với độ lợi 1, RA bị ngắn mạch và RB được mở mạch trong sơ đồ mạch trên [3]. Trong mạch, C1 = 10 / (fc) uF, trong đó fc là tần số cắt. C1 phải nhỏ hơn hoặc bằng C2 * a ^ 2 / (4 * b). Đối với bộ lọc Butterworth bậc hai, a = sqrt (2) và b = 1. Thêm các giá trị cho a và b, phương trình cho C2 đơn giản hóa thành nhỏ hơn hoặc bằng C1 / 2. Khi đó R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a ^ 2 * C2 ^ 2 - 4 * b * C1 * C2))] và R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2), trong đó w = 2 * pi * fc. Các tính toán cho mạch này đã được hoàn thành để cung cấp mức cắt 40Hz. Các giá trị điện trở và tụ điện đáp ứng các thông số kỹ thuật này được thể hiện trong sơ đồ mạch trên.

Bộ khuếch đại op được đặt ở phía ngoài cùng bên phải của breadboard vì không có thành phần nào khác được thêm vào sau nó. Điện trở và tụ điện đã được thêm vào amp op để hoàn thành mạch. Các tụ điện bỏ qua cũng được thêm vào op amp. Đầu vào để trống vì đầu vào sẽ đến từ tín hiệu đầu ra của bộ lọc khía. Tuy nhiên, với mục đích thử nghiệm, một dây được đặt ở chân đầu vào để có thể cách ly bộ lọc thông thấp và kiểm tra nó riêng lẻ.

Một sóng hình sin từ bộ tạo chức năng được sử dụng làm tín hiệu đầu vào và được quan sát ở các tần số khác nhau. Quan sát cả tín hiệu đầu vào và đầu ra trên máy hiện sóng và xác định độ lợi của mạch ở các tần số khác nhau. Đối với bộ lọc thông thấp, độ lợi ở tần số cắt phải là -3db. Đối với mạch này, mức cắt phải xảy ra ở tần số 40 Hz. Các tần số dưới 40Hz nên có rất ít hoặc không có sự suy giảm trong dạng sóng của chúng, nhưng khi tần số tăng trên 40 Hz, mức tăng sẽ tiếp tục giảm.

Bước 5: Lắp ráp các giai đoạn mạch

Khi bạn đã xây dựng từng giai đoạn của mạch và kiểm tra chúng một cách độc lập, bạn có thể kết nối tất cả chúng. Đầu ra của bộ khuếch đại thiết bị đo phải được kết nối với đầu vào của bộ lọc khía. Đầu ra của bộ lọc khía phải được kết nối với đầu vào của bộ lọc thông thấp.

Để kiểm tra mạch, hãy kết nối đầu vào của bộ tạo chức năng với đầu vào của tầng khuếch đại thiết bị đo. Quan sát đầu vào và đầu ra của mạch trên máy hiện sóng. Bạn có thể kiểm tra bằng sóng ECG được lập trình trước từ bộ tạo chức năng hoặc bằng sóng sin và quan sát các tác động của mạch của bạn. Trong hình ảnh máy hiện sóng ở trên, đường cong màu vàng là dạng sóng đầu vào và đường cong màu xanh lá cây là đầu ra.

Khi bạn đã kết nối tất cả các giai đoạn mạch của mình và chứng minh rằng nó hoạt động bình thường, bạn có thể kết nối đầu ra của mạch với bảng DAQ và bắt đầu lập trình trong LabVIEW.

Bước 6: Chương trình LabVIEW

Mã LabVIEW là để phát hiện các nhịp đập trên mét từ một sóng điện tâm đồ mô phỏng ở các tần số khác nhau. Để lập trình trong LabVIEW, trước tiên bạn phải xác định tất cả các thành phần. Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số, còn được gọi là bo mạch thu thập dữ liệu (DAQ), phải được thiết lập và thiết lập để chạy liên tục. Tín hiệu đầu ra từ mạch được kết nối với đầu vào của bảng DAQ. Biểu đồ dạng sóng trong chương trình LabVIEW được kết nối trực tiếp với đầu ra của trợ lý DAQ. Đầu ra từ dữ liệu DAQ cũng chuyển đến giá trị nhận dạng tối đa / phút. Tín hiệu sau đó đi qua một toán tử số học nhân. Chỉ số 0,8 được sử dụng để tính toán giá trị ngưỡng. Khi tín hiệu vượt quá 0,8 * Tối đa, một đỉnh được phát hiện. Bất cứ khi nào giá trị này được tìm thấy, nó được lưu trữ trong mảng chỉ mục. Hai điểm dữ liệu được lưu trữ trong mảng chỉ mục và được nhập vào toán tử số học phép trừ. Đã tìm thấy sự thay đổi về thời gian giữa hai giá trị này. Sau đó, để tính nhịp tim, 60 được chia cho chênh lệch thời gian. Một chỉ báo số, được hiển thị bên cạnh biểu đồ đầu ra, xuất ra nhịp tim theo nhịp mỗi phút (bpm) của tín hiệu đầu vào. Khi chương trình được thiết lập, tất cả chương trình sẽ được đưa vào bên trong vòng lặp while liên tục. Các đầu vào tần số khác nhau cho các giá trị bpm khác nhau.

Bước 7: Thu thập dữ liệu điện tâm đồ

Giờ đây, bạn có thể nhập tín hiệu ECG mô phỏng vào mạch của mình và ghi lại dữ liệu trong chương trình LabVIEW! Thay đổi tần số và biên độ của điện tâm đồ mô phỏng để xem điều đó ảnh hưởng như thế nào đến dữ liệu đã ghi của bạn. Khi bạn thay đổi tần số, bạn sẽ thấy sự thay đổi trong nhịp tim được tính toán. Bạn đã thiết kế thành công máy đo điện tâm đồ và nhịp tim!

Bước 8: Cải tiến thêm

Thiết bị được chế tạo sẽ hoạt động tốt để thu tín hiệu ECG mô phỏng. Tuy nhiên, nếu bạn muốn ghi lại các tín hiệu sinh học (hãy đảm bảo tuân theo các biện pháp phòng ngừa an toàn thích hợp), nên sửa đổi thêm các mạch để cải thiện việc đọc tín hiệu. Một bộ lọc thông cao nên được thêm vào để loại bỏ độ lệch DC và tạo tác chuyển động tần số thấp. Độ lợi của bộ khuếch đại thiết bị đo cũng phải giảm đi 10 lần để duy trì trong phạm vi có thể sử dụng được cho LabVIEW và amp op.

Nguồn

[1] S. Meek và F. Morris, “Giới thiệu. II - thuật ngữ cơ bản.,”BMJ, vol. 324, không. 7335, trang 470–3, tháng 2 năm 2002.

[2] Chia-Hung Lin, Các tính năng miền tần số để đánh bại phân biệt điện tâm đồ bằng cách sử dụng bộ phân loại dựa trên phân tích quan hệ màu xám, Trong Máy tính & Toán học có Ứng dụng, Tập 55, Số 4, 2008, Trang 680-690, ISSN 0898-1221, https://www.sciasedirect.com/science/article/pii…

[3] “Bộ lọc đơn hàng thứ hai | Thiết kế bộ lọc thông thấp bậc hai.” Hướng dẫn về Điện tử Cơ bản, ngày 9 tháng 9 năm 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…