Ghi lại tín hiệu điện sinh học: Điện tâm đồ và theo dõi nhịp tim: 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.

Điện tâm đồ (ECG) là một bài kiểm tra trong đó các điện cực bề mặt được đặt lên đối tượng theo một cách thức xác định để phát hiện và đo hoạt động điện của tim đối tượng [1]. Điện tâm đồ có nhiều công dụng và có thể hoạt động để hỗ trợ chẩn đoán các tình trạng tim, kiểm tra căng thẳng và quan sát trong khi phẫu thuật. Điện tâm đồ cũng có thể phát hiện những thay đổi trong nhịp đập của tim, rối loạn nhịp tim, đau tim, và nhiều trải nghiệm và bệnh tật khác [1] cũng được mô tả trong báo cáo vấn đề ở trên. Tín hiệu tim được đo bằng điện tâm đồ tạo ra ba dạng sóng khác nhau mô tả một nguồn cấp dữ liệu trực tiếp của tim đang hoạt động. Chúng được hiển thị trong hình trên.

Mục tiêu của dự án này là tạo ra một thiết bị có thể thu được tín hiệu ECG từ máy phát điện đầu ra hoặc con người và tái tạo tín hiệu đồng thời loại bỏ tiếng ồn. Đầu ra của hệ thống cũng sẽ tính toán BPM.

Bắt đầu nào!

Bước 1: Thu thập tất cả vật liệu

Để tạo ra ECG này, chúng tôi sẽ tạo một hệ thống bao gồm hai phần chính, mạch và hệ thống LabVIEW. Mục đích của mạch là để đảm bảo rằng chúng ta đang nhận được tín hiệu mà chúng ta muốn. Có rất nhiều tiếng ồn xung quanh có thể át đi tín hiệu điện tâm đồ của chúng ta, vì vậy chúng ta cần khuếch đại tín hiệu cũng như lọc bỏ bất kỳ tiếng ồn nào. Sau khi tín hiệu đã được lọc và khuếch đại qua mạch, chúng ta có thể gửi tín hiệu đã được tinh chỉnh đến chương trình LabVIEW, chương trình này sẽ hiển thị dạng sóng cũng như tính toán BPM. Các vật liệu sau đây là cần thiết cho dự án này:

-Resistor, tụ điện và bộ khuếch đại hoạt động (op-amps - UA741 đã được sử dụng) các thành phần điện

-Bảng breadboard không màu để xây dựng và thử nghiệm

-Nguồn điện DC để cung cấp năng lượng cho op-amps

-Máy phát điện chức năng để cung cấp tín hiệu điện sinh học

-Oscilloscope để xem tín hiệu đầu vào

-BảngDAQ để chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang kỹ thuật số

-LabVIEW phần mềm để quan sát tín hiệu đầu ra

-BNC và cáp dẫn cuối biến đổi

Bước 2: Thiết kế mạch

Như chúng ta vừa thảo luận, nó là cần thiết để vừa lọc vừa khuếch đại tín hiệu của chúng ta. Để làm được điều này, chúng ta có thể thiết lập 3 giai đoạn khác nhau của mạch. Đầu tiên, chúng ta cần khuếch đại tín hiệu của mình. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một bộ khuếch đại thiết bị đo đạc. Bằng cách này, tín hiệu đầu vào của chúng tôi có thể được nhìn thấy tốt hơn nhiều trong sản phẩm cuối cùng. Sau đó, chúng ta cần phải có một bộ lọc notch nối tiếp với bộ khuếch đại thiết bị này. Bộ lọc notch sẽ được sử dụng để loại bỏ tiếng ồn từ nguồn điện của chúng tôi. Sau đó, chúng ta có thể có một bộ lọc thông thấp. Vì các bài đọc ECG thường có tần số thấp, chúng tôi muốn loại bỏ tất cả các tần số ở tần số nằm ngoài giới hạn đọc ECG của chúng tôi, vì vậy chúng tôi sử dụng bộ lọc thông thấp. Các giai đoạn này được giải thích chi tiết hơn trong các bước sau.

Nếu bạn gặp sự cố với mạch của mình, cách tốt nhất là mô phỏng mạch của bạn trong một chương trình trực tuyến. Bằng cách này, bạn có thể kiểm tra xem các tính toán của bạn cho các giá trị điện trở và tụ điện có chính xác hay không.

Bước 3: Thiết kế Bộ khuếch đại dụng cụ

Để quan sát tín hiệu điện sinh học hiệu quả hơn, tín hiệu cần được khuếch đại. Đối với dự án này, để đạt được tổng thể là 1000 V / V. Để đạt được mức tăng được chỉ định từ bộ khuếch đại thiết bị, các giá trị điện trở cho mạch được tính bằng các phương trình sau:

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

(Giai đoạn 2) K2 = -R4 / R3

Trong đó mỗi giai đoạn được nhân lên để tính toán mức tăng tổng thể. Các giá trị điện trở được chọn để tạo ra mức tăng 1000 V / V là R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms và R4 = 330 kOhms. Sử dụng nguồn điện một chiều để cung cấp dải điện áp +/- 15 V (giữ giới hạn dòng điện ở mức thấp) để cấp nguồn cho op-amps của mạch vật lý. Nếu bạn muốn kiểm tra giá trị thực của điện trở hoặc muốn đạt được độ lợi này trước khi xây dựng, bạn có thể mô phỏng mạch bằng một chương trình như PSpice hoặc CircuitLab trực tuyến hoặc sử dụng máy hiện sóng với điện áp tín hiệu đầu vào nhất định và kiểm tra xem có đúng không đạt được sau khi xây dựng một bộ khuếch đại vật lý. Kết nối bộ tạo chức năng và máy hiện sóng với bộ khuếch đại để chạy mạch.

Ảnh trên mô tả mạch trông như thế nào trong phần mềm mô phỏng PSpice. Để kiểm tra xem mạch của bạn có hoạt động bình thường hay không, hãy cung cấp sóng sin đỉnh-đỉnh 1 kHz 10 mV từ bộ tạo chức năng, qua mạch và đến máy hiện sóng. Một sóng hình sin từ đỉnh đến đỉnh 10 V cần được quan sát trên máy hiện sóng.

Bước 4: Thiết kế Bộ lọc Notch

Một vấn đề cụ thể khi xử lý mạch này là thực tế là tín hiệu nhiễu 60 Hz được tạo ra bởi các đường dây cung cấp điện ở Hoa Kỳ. Để loại bỏ tiếng ồn này, tín hiệu đầu vào vào mạch phải được lọc ở tần số 60 Hz, và cách tốt hơn để làm điều đó là sử dụng bộ lọc notch!

Bộ lọc khía (mạch được mô tả ở trên) là một loại bộ lọc điện nhất định có thể được sử dụng để loại bỏ một tần số cụ thể khỏi tín hiệu. Để loại bỏ tín hiệu 60 Hz, chúng tôi đã tính toán các phương trình sau:

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Sử dụng hệ số chất lượng (Q) là 8 để thiết kế bộ lọc chính xác, điện dung (C) là 0,033 uFarads để lắp ráp dễ dàng hơn và tần số trung tâm (w) là 2 * pi * 60 Hz. Điều này đã tính toán thành công các giá trị cho các điện trở R1 = 5,024 kOhms, R2 = 1,2861 MOhms và R3 = 5,004 kOhms, và tạo thành công bộ lọc để loại bỏ tần số 60 Hz khỏi tín hiệu điện sinh học đầu vào. Nếu muốn kiểm tra bộ lọc, bạn có thể mô phỏng mạch bằng chương trình như PSpice hoặc CircuitLab trực tuyến hoặc sử dụng máy hiện sóng với điện áp tín hiệu đầu vào nhất định và kiểm tra tín hiệu đã loại bỏ sau khi xây dựng bộ khuếch đại vật lý. Kết nối bộ tạo chức năng và máy hiện sóng với bộ khuếch đại để chạy mạch.

Thực hiện quét AC với mạch này trên một dải tần từ 1 Hz đến 1 kHz ở tín hiệu đỉnh-đỉnh 1 V sẽ mang lại đặc điểm loại "rãnh" ở 60 Hz trong biểu đồ đầu ra, được loại bỏ khỏi đầu vào dấu hiệu.

Bước 5: Thiết kế bộ lọc thông thấp

Giai đoạn cuối cùng của mạch là bộ lọc thông thấp, cụ thể là bộ lọc thông thấp Butterworth bậc hai. Điều này được sử dụng để cô lập tín hiệu điện tâm đồ của chúng tôi. Dạng sóng điện tâm đồ thường nằm trong giới hạn tần số từ 0 đến ~ 100 Hz. Vì vậy, chúng tôi tính toán các giá trị điện trở và tụ điện dựa trên tần số cắt là 100 Hz và hệ số chất lượng là 8, điều này sẽ cung cấp cho chúng tôi một bộ lọc tương đối chính xác.

R1 = 2 / (w [aC2 + sqrt (a2 + 4b (K-1))

C2 ^ 2-4b * C1 * C2) R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2)

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

Các giá trị mà chúng tôi tính toán cuối cùng là R1 = 81,723kOhms, R2 = 120,92kOHms, C1 = 0,1 microFarads và C2 = 0,045 microFarads. Cấp nguồn cho op-amps với điện áp một chiều + và - 15V. Nếu muốn kiểm tra bộ lọc, bạn có thể mô phỏng mạch bằng chương trình như PSpice hoặc CircuitLab trực tuyến hoặc sử dụng máy hiện sóng với điện áp tín hiệu đầu vào nhất định và kiểm tra tín hiệu đã loại bỏ sau khi xây dựng bộ khuếch đại vật lý. Kết nối bộ tạo chức năng và máy hiện sóng với bộ khuếch đại để chạy mạch. Ở tần số cắt, bạn sẽ thấy cường độ -3 dB. Điều này cho thấy rằng mạch của bạn đang hoạt động chính xác.

Bước 6: Thiết lập LabVIEW

Bây giờ mạch đã được tạo ra, chúng tôi muốn có thể giải thích tín hiệu của chúng tôi. Để làm điều này, chúng ta có thể sử dụng LabVIEW. Một trợ lý DAQ có thể được sử dụng để thu tín hiệu từ mạch. Sau khi mở LabVIEW, thiết lập mạch như trong sơ đồ trên. Trợ lý DAQ sẽ đọc đầu vào này từ mạch và tín hiệu sẽ chuyển đến đồ thị dạng sóng. Điều này sẽ cho phép bạn xem dạng sóng ECG!

Tiếp theo, chúng tôi muốn tính toán BPM. Thiết lập ở trên sẽ làm điều này cho bạn. Chương trình hoạt động bằng cách lấy các giá trị lớn nhất của tín hiệu ECG đến trước tiên. Giá trị ngưỡng cho phép chúng tôi phát hiện tất cả các giá trị mới sắp đạt đến phần trăm giá trị tối đa của chúng tôi (trong trường hợp này là 90%). Vị trí của các giá trị này sau đó được gửi đến mảng lập chỉ mục. Vì lập chỉ mục bắt đầu từ 0, chúng tôi muốn lấy điểm thứ 0 và điểm thứ nhất và tính toán sự thay đổi về thời gian giữa chúng. Điều này cho chúng ta thời gian giữa các nhịp. Sau đó, chúng tôi ngoại suy dữ liệu đó để tìm BPM. Cụ thể, điều này được thực hiện bằng cách nhân đầu ra từ phần tử dt và đầu ra của phép trừ giữa hai giá trị trong mảng lập chỉ mục, sau đó chia cho 60 (vì chúng ta đang chuyển đổi thành phút).

Bước 7: Kết nối tất cả và kiểm tra

Kết nối mạch với đầu vào của bảng DAQ. Bây giờ tín hiệu mà bạn nhập vào sẽ đi qua mạch tới bảng DAQ và chương trình LabVIEW sẽ xuất ra dạng sóng và BPM được tính toán.

Chúc mừng!