Máy đo điện tâm đồ và nhịp tim: 7 bước (có hình ảnh)

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.

Một trong những công cụ chẩn đoán quan trọng nhất được sử dụng để phát hiện những tình trạng này là điện tâm đồ (ECG). Điện tâm đồ hoạt động bằng cách theo dõi xung điện qua tim của bạn và truyền trở lại máy [1]. Tín hiệu được thu nhận từ các điện cực đặt trên cơ thể. Vị trí của các điện cực là rất quan trọng để thu nhận các tín hiệu sinh lý vì chúng hoạt động bằng cách ghi lại sự khác biệt của điện thế trên cơ thể. Vị trí tiêu chuẩn của các điện cực là sử dụng Tam giác Einthoven. Đây là nơi đặt một điện cực trên cánh tay phải, cánh tay trái và chân trái. Chân trái hoạt động như một mặt đất cho các điện cực và nó nhận tần số nhiễu trong cơ thể. Cánh tay phải có điện cực âm và cánh tay trái có điện cực dương để tính toán hiệu điện thế trên ngực và do đó nhận năng lượng điện từ tim [2]. Mục tiêu của dự án này là tạo ra một thiết bị có thể thu nhận thành công. tín hiệu ECG và tái tạo rõ ràng tín hiệu mà không bị nhiễu và có thêm tính năng đo nhịp tim.

Bước 1: Vật liệu và công cụ

• Các điện trở và tụ điện khác nhau
• Breadboard
• Máy phát chức năng
• Máy hiện sóng
• Nguồn điện DC
• Op-amps
• Máy tính có cài đặt LABView
• Cáp BNC
• Trợ lý DAQ

Bước 2: Xây dựng Bộ khuếch đại thiết bị đo

Để khuếch đại đầy đủ tín hiệu điện sinh học, độ lợi tổng thể của hai bộ khuếch đại thiết bị đo đạc giai đoạn phải là 1000. Mỗi giai đoạn được nhân lên để có được mức tăng ích tổng thể và các phương trình được sử dụng để tính toán các giai đoạn riêng lẻ được hiển thị bên dưới.

Mức tăng giai đoạn 1: K1 = 1 + 2 * R2 / R1 Mức tăng giai đoạn 2: K2 = -R4 / R3

Sử dụng các phương trình trên, các giá trị điện trở mà chúng tôi sử dụng là R1 = 10kΩ, R2 = 150kΩ, R3 = 10kΩ và R4 = 33kΩ. Để đảm bảo rằng các giá trị này sẽ cung cấp đầu ra mong muốn, bạn có thể mô phỏng nó trực tuyến hoặc bạn có thể kiểm tra nó bằng máy hiện sóng sau khi xây dựng bộ khuếch đại vật lý.

Sau khi kết nối các điện trở đã chọn và op-amps trong breadboard, bạn sẽ cần cấp nguồn cho op-amps ± 15V từ nguồn điện một chiều. Tiếp theo, kết nối bộ tạo chức năng với đầu vào của bộ khuếch đại thiết bị đo và máy hiện sóng với đầu ra.

Ảnh trên cho thấy bộ khuếch đại thiết bị đo hoàn chỉnh sẽ giống như trong breadboard. Để kiểm tra xem nó có hoạt động bình thường không, hãy đặt bộ tạo chức năng tạo ra sóng hình sin ở tần số 1kHz với biên độ từ đỉnh đến đỉnh là 20 mV. Đầu ra từ bộ khuếch đại trên máy hiện sóng phải có biên độ đỉnh đến đỉnh là 20 V, vì có mức khuếch đại là 1000, nếu nó hoạt động bình thường.

Bước 3: Xây dựng Bộ lọc Notch

Do tiếng ồn đường dây điện, cần phải có bộ lọc để lọc tiếng ồn ở tần số 60Hz, đây là tiếng ồn đường dây điện ở Hoa Kỳ. Một bộ lọc notch đã được sử dụng vì nó lọc một tần số cụ thể. Các phương trình sau đây được sử dụng để tính toán các giá trị điện trở. Hệ số định tính (Q) là 8 hoạt động tốt và giá trị tụ điện 0,1uF được chọn để dễ thi công. Tần số trong phương trình (được mô tả dưới dạng w) là tần số khía 60Hz nhân với 2π.

R1 = 1 / (2QwC)

R2 = 2Q / (wC)

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

Sử dụng các phương trình trên, các giá trị điện trở mà chúng tôi sử dụng là R1 = 1,5kΩ, R2 = 470kΩ và R3 = 1,5kΩ. Để đảm bảo rằng các giá trị này sẽ cung cấp đầu ra mong muốn, bạn có thể mô phỏng nó trực tuyến hoặc bạn có thể kiểm tra nó bằng máy hiện sóng sau khi xây dựng bộ khuếch đại vật lý.

Hình ảnh trên cho thấy bộ lọc notch đã hoàn thành sẽ trông như thế nào trong breadboard. Thiết lập cho op-amps giống như bộ khuếch đại thiết bị đo và bộ tạo chức năng bây giờ phải được đặt để tạo ra sóng hình sin ở 1kHz với biên độ đỉnh đến đỉnh là 1V. Nếu bạn thực hiện quét AC, bạn sẽ có thể xác minh rằng các tần số xung quanh 60Hz đã được lọc ra.

Bước 4: Xây dựng bộ lọc thông thấp

Để lọc tiếng ồn tần số cao không liên quan đến điện tâm đồ, bộ lọc thông thấp đã được tạo ra với tần số cắt là 150 Hz.

R1 = 2 / (w [aC2 + sqrt (a2 + 4b (K-1)) C2 ^ 2-4b * C1 * C2)

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

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

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

R4 = K (R1 + R2)

Sử dụng các phương trình trên, các giá trị điện trở mà chúng tôi sử dụng là R1 = 12kΩ, R2 = 135kΩ, C1 = 0,01 µF và C2 = 0,068 µF. Các giá trị cho R3 và R4 kết thúc bằng 0 vì chúng tôi muốn độ lợi K của bộ lọc bằng 0, do đó chúng tôi đã sử dụng dây thay vì điện trở ở đây trong thiết lập vật lý. Để đảm bảo rằng các giá trị này sẽ cung cấp đầu ra mong muốn, bạn có thể mô phỏng nó trực tuyến hoặc bạn có thể kiểm tra nó bằng máy hiện sóng sau khi xây dựng bộ khuếch đại vật lý.

Để xây dựng bộ lọc vật lý, hãy kết nối các điện trở và tụ điện đã chọn với op-amp như trong sơ đồ. Cấp nguồn cho op-amp và kết nối bộ tạo chức năng và máy hiện sóng theo cách tương tự như được mô tả trong các bước trước. Đặt bộ tạo hàm để tạo ra sóng hình sin ở tần số 150Hz và với biên độ đỉnh-đỉnh khoảng 1 V. Vì 150Hz phải là tần số cắt, nếu bộ lọc hoạt động tốt, cường độ phải là 3dB ở tần số này. Điều này sẽ cho bạn biết nếu bộ lọc được thiết lập chính xác.

Bước 5: Kết nối tất cả các thành phần với nhau

Sau khi xây dựng từng thành phần và thử nghiệm chúng riêng biệt, tất cả chúng có thể được kết nối theo chuỗi. Kết nối bộ tạo chức năng với đầu vào của bộ khuếch đại thiết bị đo, sau đó kết nối đầu ra của bộ tạo chức năng với đầu vào của bộ lọc khía. Thực hiện lại việc này bằng cách kết nối đầu ra của bộ lọc khía với đầu vào của bộ lọc thông thấp. Đầu ra của bộ lọc thông thấp sau đó sẽ kết nối với máy hiện sóng.

Bước 6: Thiết lập LabVIEW

Sau đó, dạng sóng nhịp tim của ECG được ghi lại bằng cách sử dụng trợ lý DAQ và LabView. Một trợ lý DAQ thu nhận các tín hiệu tương tự và xác định các thông số lấy mẫu. Kết nối trợ lý DAQ với bộ tạo chức năng phát ra tín hiệu tim arb và với máy tính có LabView. Thiết lập LabView theo sơ đồ hiển thị ở trên. Trợ lý DAQ sẽ mang lại sóng tim từ máy phát chức năng. Thêm biểu đồ dạng sóng vào thiết lập LabView của bạn cũng như để xem biểu đồ. Sử dụng toán tử số để đặt ngưỡng cho giá trị lớn nhất. Trong sơ đồ hiển thị 80% đã được sử dụng. Phân tích đỉnh cũng nên được sử dụng để tìm các vị trí cao điểm và liên kết chúng với sự thay đổi về thời gian. Nhân tần số cao điểm với 60 để tính số nhịp mỗi phút và con số này được xuất bên cạnh biểu đồ.

Bước 7: Bây giờ bạn có thể ghi điện tâm đồ

[1] “Điện tâm đồ - Trung tâm Thông tin Tim mạch của Viện Tim Texas.” [Trực tuyến]. Có sẵn: https://www.texasheart.org/HIC/Topics/Diag/diekg.cfm. [Truy cập: 09-12-2017].

[2] “Các đầu mối điện tâm đồ, Polarity và Einthoven’s Triangle - Nhà sinh lý học sinh viên.” [Trực tuyến]. Có sẵn: https://thephysiologist.org/study-materials/the-ecg-leads-polarity-and-einthovens-triangle/. [Truy cập: 10-12-2017].