ทำคลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG): 6 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:07

สังเกต:

นี่ไม่ใช่เครื่องมือแพทย์ นี่เป็นเพื่อการศึกษาเท่านั้น โดยใช้สัญญาณจำลอง หากใช้วงจรนี้สำหรับการวัด ECG จริง โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรและการเชื่อมต่อระหว่างวงจรกับเครื่องมือใช้พลังงานจากแบตเตอรี่และเทคนิคการแยกอื่นๆ ที่เหมาะสม

[ภาพที่นำมาจาก

ขั้นตอนที่ 1: รู้จักสิ่งของของคุณ

คลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG) เป็นเครื่องมือสำคัญที่แพทย์ใช้เพื่อติดตามกิจกรรมทางไฟฟ้าของหัวใจ มีประโยชน์ในการบันทึกทุกอย่างตั้งแต่จังหวะการเต้นของหัวใจผิดปกติไปจนถึงการวินิจฉัยความล้มเหลวของความร้อน เมื่อทำตามคำแนะนำนี้ คุณจะสามารถสร้างอุปกรณ์ที่แสดงคลื่นไฟฟ้าหัวใจของบุคคลโดยใช้ทักษะการทำ breadboarding ขั้นพื้นฐานเท่านั้น และอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป เมื่อคุณมีเอาต์พุตสัญญาณที่ดีแล้ว คุณสามารถใช้สัญญาณเดียวกันนี้เพื่อคำนวณอัตราการเต้นของหัวใจ หรือเมตริกอื่นๆ ที่น่าสนใจโดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์

-

หากคุณไม่รู้ว่า ECG คืออะไร มันเป็นเพียงการบันทึกกิจกรรมของหัวใจ เนื่องจากลักษณะทางไฟฟ้าของการหดตัวของหัวใจ เราสามารถบันทึกการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าโดยการวางอิเล็กโทรดบนผิวหนังและประมวลผลสัญญาณ พล็อตของแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้เมื่อเวลาผ่านไปเรียกว่าคลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG สั้น ๆ) โดยทั่วไปแล้วคลื่นไฟฟ้าหัวใจจะใช้ในการวินิจฉัยภาวะหัวใจล้มเหลวในรูปแบบต่างๆ หรือติดตามความเครียดของผู้ป่วยอย่างอดทน ECG ที่มีสุขภาพดีมีคุณสมบัติเฉพาะที่เป็นสากลระหว่างมนุษย์ (ซึ่งรวมถึง P-wave, Q-wave, R-wave, S-wave, T-wave และ QRS complex) ฉันได้จัดทำไดอะแกรมแบบง่ายของ ECG พร้อมปฏิกิริยาที่สอดคล้องกันของหัวใจ

-

โปรดทราบว่าเหตุการณ์ทางไฟฟ้าแต่ละครั้งที่เกิดขึ้นในเส้นประสาทของหัวใจนั้นสัมพันธ์กับเหตุการณ์ทางกายภาพที่เกิดขึ้นตามมาในเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อ และในขณะที่หัวใจส่วนหนึ่งหดตัว ส่วนอื่นๆ ก็ผ่อนคลาย ด้วยวิธีนี้ จังหวะเวลาของสัญญาณไฟฟ้ามีความสำคัญมากในหัวใจ ซึ่งทำให้ ECG เป็นเครื่องมือที่ทรงพลังมากในการวัดสุขภาพของหัวใจ

-

อย่างไรก็ตาม สำหรับเราในการบันทึก ECG จริง มีปัญหาด้านลอจิสติกส์มากมาย เช่น ขนาดของสัญญาณ ปริมาณเสียงรบกวนที่มาจากส่วนอื่นๆ ของร่างกาย และปริมาณเสียงรบกวนที่มาจากสิ่งแวดล้อม เพื่อชดเชยสิ่งนี้ เรากำลังออกแบบวงจรที่จะประกอบด้วย 3 ส่วน: แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลเพื่อเพิ่มขนาดสัญญาณของเรา ฟิลเตอร์ความถี่ต่ำเพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนสัญญาณความถี่สูง และฟิลเตอร์บากเพื่อขจัดสัญญาณรบกวน 60 Hz ที่ มักมีอยู่ในอาคารที่มีไฟ AC ฉันจะอธิบายการดูขั้นตอนเหล่านี้โดยละเอียดให้คุณฟังด้านล่าง

[ภาพที่นำมาจาก

ขั้นตอนที่ 2: รวบรวมอุปกรณ์ของคุณ

สำหรับโครงการนี้ คุณจะต้อง:

- เขียงหั่นขนมขนาดใหญ่ 1 อัน (มี 2 อันขึ้นไปจะดีกว่า)

- ออปแอมป์อเนกประสงค์ 5 ตัว

(ฉันใช้ UA741 กับ +-15 V แค่ตรวจสอบให้แน่ใจว่าตัวที่คุณเลือกสามารถรองรับไฟ 15 โวลต์ ไม่เช่นนั้นคุณจะต้องปรับค่าของส่วนประกอบแบบพาสซีฟ และคุณจะต้องชำระด้วยการขยายสัญญาณที่น้อยลง)

ตัวต้านทาน

o 2x 165 โอห์ม

o 3x 1k โอห์ม

o 2x 15k โอห์ม

o 2x 33k โอห์ม

o 1x 42k โอห์ม

o 2x 60k โอห์ม

ตัวเก็บประจุ

o 2x 22nF

o 2x 1μF

o 1x 2Μf

- สายจัมเปอร์หรือจัมเปอร์มากมาย

- แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่สามารถให้ +-15 V

- เครื่องกำเนิดฟังก์ชันและออสซิลโลสโคป (ส่วนใหญ่สำหรับการแก้ไขปัญหา)

- อิเล็กโทรดเหนียวอย่างน้อยสามขั้วหากคุณวางแผนที่จะบันทึก ECG. จริง

- สายเคเบิลเพียงพอที่จะเชื่อมต่อเรื่องไร้สาระทั้งหมดนี้

- เข้าใจวงจร op-amps และประสบการณ์เกี่ยวกับ breadboarding

หากคุณเพิ่งมีเขียงหั่นขนมสำหรับวันเกิดของคุณและกำลังมองหาที่จะลองทำอะไรที่เจ๋ง ๆ ให้ทำอย่างน้อยสองสามงานสร้างที่เรียบง่ายกว่านี้ก่อนที่จะลองใช้งาน

-

ขั้นตอนที่ 3: สร้างดิฟเฟอเรนเชียลแอมพลิฟายเออร์

ดิฟเฟอเรนเชียลแอมพลิฟายเออร์คือสิ่งที่จะขยายสัญญาณที่บันทึกไว้ของเราให้อยู่ในระดับที่ใช้งานได้เพื่อแสดงบนขอบเขตหรือหน้าจอ การออกแบบวงจรนี้จะใช้ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าจากอิเล็กโทรดอินพุตสองตัวและขยายออก สิ่งนี้ทำเพื่อลดเสียงรบกวน เนื่องจากเสียงทั่วไประหว่างอิเล็กโทรดจะถูกขจัดออกไป สัญญาณคลื่นไฟฟ้าหัวใจจะแปรผันตามแอมพลิจูดขึ้นอยู่กับตำแหน่งของอิเล็กโทรดสำหรับบันทึกและแต่ละบุคคล แต่โดยทั่วไปจะอยู่ที่ระดับไม่กี่มิลลิโวลต์เมื่อทำการบันทึกจากข้อมือ (แม้ว่าจะไม่จำเป็นสำหรับการตั้งค่านี้ แอมพลิจูดของสัญญาณสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการวางอิเล็กโทรดที่หน้าอก แต่ข้อเสียคือเสียงจากการเคลื่อนไหวของปอด)

-

ฉันได้รวมแผนผังของการตั้งค่าไว้แล้ว วงจรในภาพควรขยายสัญญาณของคุณ ~ 1,000 เท่า คุณอาจต้องปรับเปลี่ยนสิ่งนี้ขึ้นอยู่กับประเภทของ op-amp ที่คุณตัดสินใจใช้ วิธีที่รวดเร็วในการปรับเปลี่ยนนี้คือการเปลี่ยนค่าของ R1 การตัดค่า R1 ลงครึ่งหนึ่ง คุณจะได้ผลลัพธ์เป็นสองเท่าและในทางกลับกัน

-

ฉันคิดว่าพวกคุณส่วนใหญ่สามารถแปลวงจรนี้ลงบนเขียงหั่นขนมได้ แต่ฉันได้รวมไดอะแกรมของการตั้งค่าเขียงหั่นขนมเพื่อปรับปรุงกระบวนการและหวังว่าจะลดเวลาในการแก้ไขปัญหาของคุณ ฉันได้รวมรูปภาพของ pinout UA741 (หรือ LM741) ไว้ด้วยเพื่อความสะดวกของคุณ (สำหรับวัตถุประสงค์ของคุณ คุณไม่จำเป็นต้องมีพิน 1, 5 หรือ 8) พิน V+ และ V- บน op-amp จะเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ +15 V และ -15 V ตามลำดับ -15V ไม่เหมือนกราวด์! คุณสามารถละเว้นตัวเก็บประจุบนเขียงหั่นขนมของฉัน พวกเขาเป็นตัวเก็บประจุแบบบายพาสเพื่อขจัดสัญญาณรบกวน AC แต่การหวนกลับไม่คุ้มกับความพยายาม

-

ฉันแนะนำให้ทดสอบแต่ละขั้นตอนเมื่อคุณทำเสร็จแล้วเพื่อแก้ไขปัญหา ตามที่วงจรแสดง คุณสามารถเชื่อมต่ออินพุตตัวใดตัวหนึ่งกับกราวด์ และอีกอินพุตหนึ่งกับแหล่งจ่ายกระแสตรงขนาดเล็กเพื่อตรวจสอบการขยายเสียง (ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณป้อน <15 mV มิฉะนั้นคุณจะอิ่มตัว op-amps) หากคุณต้องการลดกำไรสำหรับการทดสอบ อย่าเหนื่อย อะไรที่เกิน 500 เท่าจะเพียงพอสำหรับจุดประสงค์ของเรา ยิ่งกว่านั้น หากคุณสร้างวงจรของคุณเพื่อให้ได้กำไร 1,000 และมันแสดงกำไรเพียง 800 มันไม่ใช่จุดจบของโลก ตัวเลขที่แน่นอนนั้นไม่สำคัญ

-

ขั้นตอนที่ 4: สร้าง Notch Filter

ตอนนี้เราขยายสัญญาณได้แล้ว มาดูการทำความสะอาดกัน หากคุณต่ออิเล็กโทรดเข้ากับวงจรของเราตอนนี้ น่าจะมีสัญญาณรบกวน 60 Hz เป็นจำนวนมาก เนื่องจากอาคารส่วนใหญ่มีสายไฟฟ้ากระแสสลับ 60 เฮิรตซ์ ทำให้เกิดสัญญาณรบกวนขนาดใหญ่อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ เราจะสร้างตัวกรองรอยบาก 60 Hz ตัวกรองรอยบากได้รับการออกแบบมาเพื่อลดทอนความถี่ที่เฉพาะเจาะจงมาก และปล่อยให้ความถี่อื่นๆ ไม่ถูกแตะต้อง เหมาะสำหรับขจัดเสียงรบกวน 60 Hz

-

ก่อนหน้านี้ฉันได้รวมรูปภาพของแผนผังวงจร การติดตั้งเขียงหั่นขนมและวงจรของฉันเอง โปรดทราบว่าในขณะที่ตัวกรองรอยบากเป็นขั้นตอนที่ค่อนข้างง่ายในการสร้าง แต่ใช้เวลานานที่สุดสำหรับฉันในการทำงาน อินพุตของฉันถูกลดทอนได้ดี แต่ที่ 63 Hz แทนที่จะเป็น 60 Hz ซึ่งจะไม่ตัด หากคุณประสบปัญหาเดียวกัน เราขอแนะนำให้คุณเปลี่ยนค่า R14 (ความต้านทานที่เพิ่มขึ้นของ R14 จะลดความถี่ในการลดทอนของคุณและในทางกลับกัน) หากคุณมีกล่องตัวต้านทานแบบปรับค่าได้ ให้ใช้แทน R14 จากนั้นจึงเล่นด้วยค่าความต้านทานเพื่อหาว่าอันไหนใช้ได้ผลดีที่สุด เพราะจะไวต่อการเปลี่ยนแปลงในลำดับของโอห์มเดียว ฉันลงเอยด้วย 175 โอห์ม R14 แต่ในทางทฤษฎีแล้วมันทำงานได้ดีที่สุดเพื่อให้ตรงกับ R12

-

อีกครั้ง คุณสามารถทดสอบขั้นตอนนี้ได้โดยใช้ตัวสร้างฟังก์ชันเพื่อป้อนคลื่นไซน์ 60 Hz และบันทึกเอาต์พุตของคุณบนออสซิลโลสโคป เอาต์พุตของคุณควรอยู่ที่ประมาณ -20 dB หรือ 10% ของแอมพลิจูดของอินพุต อย่างที่ฉันพูดไปก่อนหน้านี้ คุณสามารถตรวจสอบความถี่ใกล้เคียงเพื่อการเพิ่มประสิทธิภาพได้

-

ขั้นตอนที่ 5: สร้าง Low-Pass Filter

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งคือการลดเสียงรบกวนจากร่างกายของคุณและสิ่งอื่นๆ ที่กระทบกับห้องที่คุณอยู่ ตัวกรองสัญญาณความถี่ต่ำทำได้ดีในการทำเช่นนี้ เพราะตราบใดที่สัญญาณยังดำเนินไป การเต้นของหัวใจของคุณค่อนข้างช้า เป้าหมายของเราในการใช้ตัวกรองความถี่ต่ำคือการกำจัดสัญญาณทั้งหมดที่มีความถี่สูงกว่า ECG ของคุณ ในการดำเนินการนี้ เราต้องกำหนด "ความถี่คัตออฟ" ในกรณีของเรา เราต้องการกำจัดทุกสิ่งที่อยู่เหนือความถี่นี้ และทุกสิ่งที่ต่ำกว่าความถี่นี้ที่เราต้องการเก็บไว้ ในขณะที่การเต้นของหัวใจเกิดขึ้นตามลำดับ 1 ถึง 3 เฮิรตซ์ รูปคลื่นแต่ละรูปที่ประกอบขึ้นเป็น ECG ของเราประกอบด้วยความถี่ที่สูงกว่านี้มาก ใกล้ 1 ถึง 50 เฮิรตซ์ ด้วยเหตุนี้ ฉันจึงเลือกความถี่ตัดที่ 80 Hz สูงพอที่จะเก็บส่วนประกอบที่มีประโยชน์ทั้งหมดไว้ในสัญญาณ แต่ยังคงตัดเสียงรบกวนจากวิทยุ HAM ที่คุณมีในห้องถัดไป

-

ฉันไม่มีคำแนะนำของนักปราชญ์เกี่ยวกับตัวกรองความถี่ต่ำ มันง่ายมากเมื่อเทียบกับขั้นตอนอื่นๆ ในทำนองเดียวกันกับแอมพลิฟายเออร์ ไม่ต้องกังวลกับค่าคัทออฟที่แม่นยำที่ 80 Hz; สิ่งนี้ไม่สำคัญและจะไม่เกิดขึ้นจริง อย่างไรก็ตาม คุณควรตรวจสอบเอาต์พุตโดยใช้ตัวสร้างฟังก์ชัน ตามหลักการทั่วไป คลื่นไซน์ควรผ่านตัวกรองโดยไม่มีใครแตะต้องที่ 10 Hz และควรตัดครึ่งโดย 130 Hz

-

ขั้นตอนที่ 6: ขอขึ้น

ถ้าคุณทำได้ไกลขนาดนี้ ยินดีด้วย! คุณมีส่วนประกอบทั้งหมดของ ECG สิ่งที่คุณต้องทำคือเชื่อมต่อเข้าด้วยกัน ตบอิเล็กโทรด และขอเอาท์พุตไปยังออสซิลโลสโคปเพื่อดู ECG ของคุณ!

-

ในกรณีที่คุณไม่แน่ใจว่าจะใส่อิเล็กโทรดอย่างไร ฉันแนะนำให้ติดอิเล็กโทรดอินพุตบนข้อมือของคุณ (หนึ่งอันที่ข้อมือแต่ละข้าง) และเชื่อมต่ออิเล็กโทรดกราวด์กับขาของคุณ (รูปภาพอาจช่วยได้) อิเล็กโทรดอินพุตแต่ละอันควรเป็นข้อเตือนใจ ไปที่อินพุตบวกบน op-amps ในแอมพลิฟายเออร์ (มีการต่อสายดินในแผนภาพวงจรเพื่อการจำลองเท่านั้น)

-

เมื่อคุณเชื่อมต่อแล้ว เชื่อมต่อเอาต์พุตของตัวกรองความถี่ต่ำผ่านเข้ากับออสซิลโลสโคปและภูมิใจในตัวเอง! ทำให้ลูกๆ ของคุณสวมอิเล็กโทรดและดูการเต้นของหัวใจ เฮ็คให้เพื่อนบ้านของคุณมาลอง หากคุณรู้สึกมีแรงจูงใจเป็นพิเศษให้เชื่อมต่อเอาต์พุตไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อคำนวณอัตราการเต้นของหัวใจจากตัวเดียว (คุณอาจต้องการลดการขยายเสียงก่อนที่จะทำเช่นนี้ เพราะอาจทำให้บอร์ดที่คุณใช้อยู่พังได้) ยังไงก็ขอแสดงความยินดีกับการสร้างและมีความสุขกับการทำ!

[ภาพที่นำมาจาก