Xây dựng điện tâm đồ của riêng bạn !: 10 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

Nhịp tim bao gồm các cơn co thắt nhịp nhàng được điều chỉnh bởi sự trình bày tự phát của quá trình khử cực điện trong các tế bào cơ tim (các tế bào cơ của tim). Hoạt động điện như vậy có thể được ghi lại bằng cách đặt các điện cực ghi không xâm lấn dọc theo các vị trí khác nhau của cơ thể. Ngay cả khi có hiểu biết sơ lược về mạch điện và điện sinh học, những tín hiệu này có thể được ghi lại một cách tương đối dễ dàng. Trong Tài liệu hướng dẫn này, chúng tôi giới thiệu một phương pháp đơn giản có thể được sử dụng để thu tín hiệu điện tâm đồ bằng thiết bị thực tế và rẻ tiền. Xuyên suốt, chúng tôi sẽ nêu bật những cân nhắc cần thiết trong việc thu nhận các tín hiệu như vậy và trình bày các kỹ thuật để phân tích tín hiệu theo chương trình.

Bước 1: Tổng quan về các tính năng

Thiết bị bạn đang xây dựng sẽ hoạt động thông qua các tính năng sau:

1. Bản ghi điện cực
2. Bộ khuếch đại nhạc cụ
3. Bộ lọc Notch
4. Bộ lọc thông thấp
5. Chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số
6. Phân tích tín hiệu bằng LabView

Một số thành phần chính bạn sẽ cần:

1. NI LabView
2. Bảng thu thập dữ liệu NI (cho đầu vào cho LabView)
3. Nguồn điện DC (để cấp nguồn cho bộ khuếch đại hoạt động)
4. Miếng đệm điện cực trên da để ghi âm điện cực
5. HOẶC một bộ tạo chức năng có thể tạo ra một tín hiệu ECG mô phỏng

Bắt đầu nào!

Bước 2: Thiết kế bộ lọc thông thấp

Điện tâm đồ bình thường chứa các đặc điểm có thể nhận dạng được dưới dạng sóng của tín hiệu được gọi là sóng P, phức bộ QRS và sóng T. Tất cả các tính năng của điện tâm đồ sẽ xuất hiện trong dải tần số dưới 250 Hz, và do đó, điều quan trọng là chỉ nắm bắt các tính năng quan tâm khi ghi điện tâm đồ từ các điện cực. Bộ lọc thông thấp với tần số cắt 250 Hz sẽ đảm bảo rằng tín hiệu không bị nhiễu tần số cao

Bước 3: Thiết kế bộ lọc Notch

Bộ lọc notch ở tần số 60 Hz rất hữu ích để loại bỏ tạp âm từ bất kỳ nguồn điện nào liên quan đến việc ghi điện tâm đồ. Các tần số ngắt từ 56,5 Hz đến 64 Hz sẽ cho phép các tín hiệu có tần số nằm ngoài phạm vi đó đi qua. Hệ số chất lượng 8 đã được áp dụng cho bộ lọc. Người ta chọn điện dung 0,1 uF. Các điện trở thí nghiệm được chọn như sau: R1 = R3 = 1,5 kOhms, R2 = 502 kOhms. Các giá trị này được sử dụng để xây dựng bộ lọc khía.

Bước 4: Thiết kế Bộ khuếch đại dụng cụ

Một bộ khuếch đại thiết bị đo có độ lợi 1000 V / V sẽ khuếch đại tất cả các tín hiệu được lọc để cho phép dễ dàng đo lường. Bộ khuếch đại sử dụng một loạt các bộ khuếch đại hoạt động và được chia thành hai giai đoạn (trái và phải) với độ lợi tương ứng K1 và K2. Hình trên hiển thị sơ đồ mạch có thể đạt được kết quả này và Hình 6 trình bày chi tiết các tính toán đã thực hiện.

Bước 5: Kết nối tất cả với nhau

Ba giai đoạn khuếch đại và lọc được kết hợp trong Hình 7 dưới đây. Bộ khuếch đại thiết bị khuếch đại đầu vào tần số hình sin với độ lợi 1000V / V. Tiếp theo, bộ lọc notch loại bỏ tất cả tín hiệu tần số 60 Hz với hệ số chất lượng là 8. Cuối cùng, tín hiệu đi qua bộ lọc thông thấp làm suy giảm tín hiệu vượt quá tần số 250 Hz. Hình trên hiển thị toàn bộ hệ thống được tạo bằng thực nghiệm.

Bước 6:… và Đảm bảo rằng nó hoạt động

Nếu bạn có bộ tạo hàm, bạn nên xây dựng đường cong đáp ứng tần số để đảm bảo đáp ứng thích hợp. Hình ảnh trên cho thấy toàn bộ hệ thống và đường cong đáp ứng tần số mà bạn nên mong đợi. Nếu hệ thống của bạn dường như đang hoạt động, thì bạn đã sẵn sàng chuyển sang bước tiếp theo: chuyển đổi tín hiệu tương tự sang kỹ thuật số!

Bước 7: (Tùy chọn) Hình dung điện tâm đồ của bạn trên Máy hiện sóng

Máy đo điện tâm đồ ghi lại một tín hiệu với hai điện cực và sử dụng điện cực thứ ba làm mặt đất. Với các điện cực ghi ECG của bạn, hãy lắp một điện cực vào một đầu vào của bộ khuếch đại thiết bị đo, đầu còn lại vào đầu vào của amp thiết bị đo khác và kết nối điện cực thứ ba với mặt đất trên bảng mạch của bạn. Tiếp theo, đặt một điện cực trên cổ tay này, điện cực kia trên cổ tay kia và tiếp đất trên mắt cá chân của bạn. Đây là cấu hình Dẫn 1 cho ECG. Để hình dung tín hiệu trên máy hiện sóng của bạn, hãy sử dụng đầu dò máy hiện sóng để đo đầu ra giai đoạn thứ ba của bạn.

Bước 8: Thu thập dữ liệu với DAQ của National Instruments

Nếu bạn muốn phân tích tín hiệu của mình trong LabView, bạn sẽ cần một số cách để thu thập dữ liệu tương tự từ điện tâm đồ và chuyển nó sang máy tính. Có tất cả các cách để lấy dữ liệu! National Instruments là một công ty chuyên về thiết bị thu thập dữ liệu và thiết bị phân tích dữ liệu. Họ là một nơi tốt để tìm kiếm các công cụ để thu thập dữ liệu. Bạn cũng có thể mua chip chuyển đổi tín hiệu tương tự sang kỹ thuật số rẻ tiền của riêng mình và sử dụng Raspberry Pi để truyền tín hiệu! Đây có lẽ là lựa chọn rẻ hơn. Trong trường hợp này, chúng tôi đã có một mô-đun NI DAQ, một NI ADC và LabView trong nhà, vì vậy chúng tôi phải tuân thủ nghiêm ngặt phần cứng và phần mềm của National Instruments.

Bước 9: Nhập dữ liệu vào LabVIEW

Ngôn ngữ lập trình trực quan LabVIEW đã được sử dụng để phân tích dữ liệu thu thập được từ hệ thống khuếch đại / lọc tương tự. Dữ liệu được thu thập từ bộ NI DAQ với DAQ Assistant, một chức năng thu thập dữ liệu tích hợp trong LabVIEW. Sử dụng các điều khiển LabView, số lượng mẫu và khoảng thời gian thu thập mẫu đã được chỉ định theo chương trình. Các điều khiển có thể điều chỉnh bằng tay, cho phép người dùng tinh chỉnh các thông số đầu vào một cách dễ dàng. Với tổng số mẫu và khoảng thời gian đã biết, một vectơ thời gian được tạo với mỗi giá trị chỉ số đại diện cho thời gian tương ứng tại mỗi mẫu trong tín hiệu thu được.

Bước 10: Định dạng, phân tích và bạn đã hoàn tất

Dữ liệu từ chức năng trợ lý DAQ đã được chuyển đổi thành định dạng có thể sử dụng được. Tín hiệu được tạo lại dưới dạng một mảng nhân đôi 1D bằng cách đầu tiên chuyển đổi kiểu dữ liệu đầu ra DAQ thành kiểu dữ liệu dạng sóng và sau đó chuyển đổi thành một cặp nhân đôi được phân cụm (X, Y). Mỗi giá trị Y từ cặp (X, Y) được chọn và chèn vào một mảng đôi 1D trống ban đầu với sự trợ giúp của cấu trúc lặp. Mảng 1D gồm các giá trị nhân đôi và vectơ thời gian tương ứng được vẽ trên đồ thị XY. Đồng thời, giá trị lớn nhất của mảng nhân đôi 1D được xác định bằng một hàm nhận dạng giá trị lớn nhất. Sáu phần mười giá trị tối đa được sử dụng làm ngưỡng cho thuật toán phát hiện đỉnh được tích hợp trong LabView. Các giá trị đỉnh của dãy nhân đôi 1D được xác định bằng chức năng phát hiện đỉnh. Với các vị trí cao điểm đã biết, thời gian chênh lệch giữa mỗi đỉnh đã được tính toán. Chênh lệch thời gian này, tính bằng đơn vị giây trên mỗi đỉnh, được chuyển đổi thành đỉnh trên phút. Giá trị kết quả được coi là đại diện cho nhịp tim theo nhịp mỗi phút.

Đó là nó! Bây giờ bạn đã thu thập và phân tích một tín hiệu điện tâm đồ!