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

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

Điện tâm đồ, hay ECG, là một phương pháp đo và phân tích sức khỏe tim rất lâu đời. Tín hiệu được đọc từ điện tâm đồ có thể chỉ ra một trái tim khỏe mạnh hoặc một loạt các vấn đề. Một thiết kế đáng tin cậy và chính xác là rất quan trọng vì nếu tín hiệu điện tâm đồ hiển thị dạng sóng bị biến dạng hoặc nhịp tim không chính xác, một người có thể bị chẩn đoán sai. Mục đích là thiết kế một mạch điện tâm đồ có khả năng thu nhận, khuếch đại và lọc tín hiệu điện tâm đồ. Sau đó, chuyển đổi tín hiệu đó thông qua bộ chuyển đổi A / D thành Labview để tạo ra biểu đồ thời gian thực và nhịp tim trong BPM của tín hiệu ECG. Dạng sóng đầu ra sẽ giống như hình ảnh này.

"Đây không phải là thiết bị y tế. Đây chỉ dành cho mục đích giáo dục sử dụng tín hiệu mô phỏng. Nếu sử dụng mạch này để đo điện tâm đồ thực, vui lòng đảm bảo mạch và các kết nối giữa mạch với thiết bị đang sử dụng kỹ thuật cách ly phù hợp."

Bước 1: Thiết kế mạch

Mạch cần có khả năng thu nhận và khuếch đại tín hiệu ECG. Để làm được điều đó, chúng tôi sẽ kết hợp ba bộ lọc hoạt động; một Bộ khuếch đại dụng cụ, một bộ lọc Thông thấp Butterworth bậc hai và một Bộ lọc Notch. Thiết kế của các mạch này có thể được nhìn thấy trong hình ảnh. Chúng tôi sẽ đi từng cái một, sau đó ghép chúng lại với nhau để hoàn thành toàn bộ mạch.

Bước 2: Bộ khuếch đại thiết bị đo

Độ lợi của bộ khuếch đại thiết bị đo cần phải là 1000 V / V để có được tín hiệu tốt. Khuếch đại thông qua bộ khuếch đại thiết bị đo đạc xảy ra trong hai giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên bao gồm hai op amp ở bên trái và điện trở R1 và R2 và giai đoạn khuếch đại thứ hai bao gồm op amp ở bên phải và các điện trở R3 và R4. Độ lợi (khuếch đại) cho giai đoạn 1 và giai đoạn 2 được cho trong phương trình (1) và (2).

Mức tăng giai đoạn 1: K1 = 1 + (2R2 / R1) (1)

Mức tăng giai đoạn 2: K2 = R4 / R3 (2)

Một lưu ý quan trọng về độ lợi trong mạch là số nhân; ví dụ. độ lợi của mạch tổng thể trong hình 2 là K1 * K2. Các phương trình này tạo ra các giá trị được hiển thị trong giản đồ. Vật liệu cần thiết cho bộ lọc này là ba ampe quang LM741, ba điện trở 1k ohm, hai điện trở 24,7 kohm và hai điện trở 20 kohm.

Bước 3: Bộ lọc Notch

Giai đoạn tiếp theo là Bộ lọc Notch để loại bỏ tiếng ồn ở tần số 60 Hz. Tần số này cần được loại bỏ vì có rất nhiều tạp âm ở tần số 60 Hz do nhiễu đường dây điện, nhưng nó sẽ không loại bỏ bất cứ điều gì đáng kể từ tín hiệu ECG. Các giá trị cho các thành phần được sử dụng trong mạch dựa trên tần số bạn muốn lọc ra, trong trường hợp này là 60 Hz (377 rad / s). Các phương trình thành phần như sau

R1 = 1 / (6032 * C)

R2 = 16 / (377 * C)

R3 = (R1R2) / (R1 + R2)

Các vật liệu cần thiết cho điều này là một amp op LM741, ba điện trở với các giá trị 1658 ohm, 424,4 kohm và 1651 ohms và 3 tụ điện, hai ở 100 nF và một ở 200 nF.

Bước 4: Bộ lọc thông thấp

Giai đoạn cuối cùng là bộ lọc thông thấp Butterworth bậc hai với tần số cắt 250 Hz. Đây là tần số cắt bởi vì tín hiệu ECG chỉ dao động ở mức tối đa là 250 Hz. Phương trình cho các giá trị của các thành phần trong bộ lọc được xác định trong các phương trình sau:

R1 = 2 / (1571 (1.4C2 + sắp xếp (1.4 ^ 2 * C2 ^ 2 - 4C1C2)))

R2 = 1 / (1571 * C1 * C2 * R1)

C1 <(C2 * 1.4 ^ 2) / 4

Các vật liệu cần thiết cho bộ lọc này là một amp op LM741, hai điện trở 15,3 kohm và 25,6 kohm, và hai tụ điện 47 nF và 22 nF.

Sau khi tất cả ba giai đoạn được thiết kế và xây dựng, mạch cuối cùng sẽ giống như hình ảnh.

Bước 5: Kiểm tra mạch

Sau khi xây dựng xong mạch, nó cần được kiểm tra để đảm bảo nó hoạt động tốt. Quét AC cần được chạy trên mỗi bộ lọc bằng cách sử dụng tín hiệu đầu vào tim ở tần số 1 Hz từ máy phát điện áp. Độ lớn phản hồi tính bằng dB sẽ giống như hình ảnh. Nếu kết quả từ quá trình quét AC là chính xác, mạch đã hoàn thành và sẵn sàng sử dụng. Nếu phản hồi không đúng, mạch cần được gỡ lỗi. Bắt đầu bằng cách kiểm tra tất cả các kết nối và đầu vào nguồn điện để đảm bảo mọi thứ có kết nối tốt. Nếu điều này không giải quyết được vấn đề, hãy sử dụng các phương trình cho các thành phần của bộ lọc để điều chỉnh các giá trị của điện trở và tụ điện khi cần thiết cho đến khi đầu ra ở đúng vị trí của nó.

Bước 6: Xây dựng VUI trong Labview

Labview là một phần mềm thu thập dữ liệu kỹ thuật số cho phép người dùng thiết kế VUI hoặc giao diện người dùng ảo. Bo mạch DAQ là một bộ chuyển đổi A / D có thể chuyển đổi và truyền tín hiệu ECG vào Labview. Sử dụng phần mềm này, tín hiệu ECG có thể được vẽ trên đồ thị biên độ so với thời gian để đọc rõ tín hiệu và sau đó chuyển tín hiệu thành nhịp tim trong BPM. Điều đầu tiên cần thiết cho việc này là một bảng DAQ thu nhận dữ liệu và chuyển đổi nó thành tín hiệu kỹ thuật số để gửi đến Labview trên máy tính. Điều đầu tiên cần được thêm vào thiết kế Labview là DAQ Assistant, hỗ trợ thu tín hiệu từ bảng DAQ và xác định các thông số lấy mẫu. Bước tiếp theo là kết nối một biểu đồ dạng sóng với đầu ra của trợ lý DAQ trên thiết kế VUI, biểu đồ này biểu đồ tín hiệu ECG hiển thị dạng sóng ECG. Bây giờ biểu đồ dạng sóng đã hoàn tất, dữ liệu cũng cần được chuyển đổi để tạo ra một đầu ra số của nhịp tim. Bước đầu tiên trong phép tính này là tìm giá trị tối đa của dữ liệu ECG bằng cách kết nối phần tử max / min với đầu ra của dữ liệu DAQ trong VUI, sau đó xuất giá trị này cho một phần tử khác được gọi là phát hiện đỉnh và đến một phần tử sẽ tìm thay đổi theo thời gian gọi là dt. Phần tử phát hiện đỉnh cũng cần một ngưỡng từ giá trị tối đa / phút được tính bằng cách lấy giá trị lớn nhất từ phần tử tối thiểu tối đa và nhân nó với 0,8, để tìm 80% giá trị lớn nhất, sau đó nhập vào phần tử phát hiện đỉnh. Ngưỡng này cho phép phần tử phát hiện đỉnh tìm thấy cực đại của sóng R và vị trí xảy ra cực đại trong khi bỏ qua các đỉnh khác của tín hiệu. Vị trí của các đỉnh sau đó được gửi đến một phần tử mảng chỉ mục được thêm vào tiếp theo trên VUI. Phần tử mảng chỉ mục được đặt để lưu trữ trên mảng với và chỉ mục bắt đầu từ 0, sau đó là phần tử khác bắt đầu với chỉ số 1. Sau đó, chúng được trừ cho nhau để tìm ra sự khác biệt của hai vị trí đỉnh, tương ứng với số của các điểm giữa mỗi đỉnh. Số điểm nhân với chênh lệch thời gian giữa mỗi điểm cung cấp thời gian để mỗi nhịp xuất hiện. Điều này được thực hiện bằng cách nhân đầu ra từ phần tử dt và đầu ra từ phép trừ hai mảng. Con số này sau đó được chia cho 60, để tìm nhịp mỗi phút, và sau đó xuất ra bằng cách sử dụng phần tử chỉ báo số trên VUI. Việc thiết lập thiết kế VUI trong Labview được thể hiện trong Hình.

Bước 7: Kết hợp tất cả lại với nhau

Sau khi hoàn tất VUI trên Labview, bước cuối cùng là kết nối mạch với bảng DAQ, để tín hiệu chạy qua mạch, vào bảng, sau đó đến Labview. Nếu mọi thứ hoạt động bình thường, tín hiệu 1 Hz sẽ tạo ra dạng sóng như trong hình và nhịp tim là 60 nhịp mỗi phút. Bây giờ bạn có một máy đo điện tâm đồ và nhịp tim kỹ thuật số đang hoạt động.