วงจรการเก็บคลื่นไฟฟ้าหัวใจ: 5 ขั้นตอน

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

ข้อสังเกต: นี่ไม่ใช่อุปกรณ์ทางการแพทย์ นี่เป็นเพื่อการศึกษาโดยใช้สัญญาณจำลองเท่านั้น หากใช้วงจรนี้สำหรับการวัด ECG จริง โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรและการเชื่อมต่อระหว่างวงจรกับเครื่องมือใช้เทคนิคการแยกที่เหมาะสม

บางทีการวัดทางสรีรวิทยาที่แพร่หลายที่สุดในอุตสาหกรรมการดูแลสุขภาพในปัจจุบันคือการตรวจคลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG/EKG) เป็นการยากที่จะเดินผ่านโรงพยาบาลหรือห้องฉุกเฉินโดยไม่ได้ยินเสียง "บี๊บ" แบบดั้งเดิมของเครื่องวัดอัตราการเต้นของหัวใจหรือเห็นรูปคลื่น ECG ที่กลิ้งผ่านหน้าจอในห้องของผู้ป่วย แต่การวัดนี้มีความเกี่ยวข้องกับการดูแลสุขภาพสมัยใหม่อย่างไร?

คลื่นไฟฟ้าหัวใจมักถูกเข้าใจผิดว่าเป็นการบันทึกกิจกรรมทางกายของหัวใจ อย่างไรก็ตาม ตามชื่อที่บ่งบอกว่าเป็นการบันทึกกิจกรรมทางไฟฟ้า การสลับขั้วและการรีโพลาไรเซชันของกล้ามเนื้อหัวใจ โดยการวิเคราะห์รูปคลื่นที่บันทึกไว้ แพทย์สามารถเข้าใจพฤติกรรมของระบบไฟฟ้าของหัวใจได้ การวินิจฉัยทั่วไปบางอย่างจากข้อมูล ECG ได้แก่ กล้ามเนื้อหัวใจตาย เส้นเลือดอุดตันที่ปอด ภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะ และการบล็อก AV

คำแนะนำต่อไปนี้จะสรุปกระบวนการและหลักการที่ใช้ในการสร้างวงจรไฟฟ้าพื้นฐานที่สามารถรวบรวม ECG ด้วยการใช้อิเล็กโทรดพื้นผิวอย่างง่ายเช่นเดียวกับที่ทำในโรงพยาบาล

ขั้นตอนที่ 1: ออกแบบเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือ

องค์ประกอบวงจรแรกที่จำเป็นในการบันทึกสัญญาณ ECG คือเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด แอมพลิฟายเออร์นี้มีสองเอฟเฟกต์

1. สร้างบัฟเฟอร์อิเล็กทรอนิกส์ระหว่างอิเล็กโทรดการบันทึกกับส่วนที่เหลือของวงจร ซึ่งจะช่วยลดการดึงกระแสไฟที่ต้องการจากอิเล็กโทรดให้เหลือศูนย์ ช่วยให้มีการรวบรวมสัญญาณโดยมีความผิดเพี้ยนน้อยมากที่เกิดจากอิมพีแดนซ์อินพุต

2. มันขยายสัญญาณที่บันทึกไว้แตกต่างกัน นั่นหมายความว่าสัญญาณทั่วไปในอิเล็กโทรดการบันทึกทั้งสองจะไม่ถูกขยาย ในขณะที่ความแตกต่าง (ส่วนที่สำคัญ) จะเป็น

โดยทั่วไปแล้ว การบันทึกอิเล็กโทรดที่พื้นผิวสำหรับ ECG จะอยู่ในช่วงมิลลิโวลต์ ดังนั้น เพื่อให้สัญญาณนี้อยู่ในช่วงที่เราสามารถทำงานกับการขยายเสียง (K) ที่ 1000 V/V จะเหมาะสม

สมการควบคุมสำหรับเครื่องขยายเสียงที่แสดงไว้ข้างต้นคือ:

K1 = 1 + 2*R2 / R1 นี่คือกำไรขั้นที่ 1

K2 = - R4/R3 นี่คือกำไรขั้นที่ 2

โปรดทราบว่าตามหลักการแล้ว K1 และ K2 ควรมีค่าเท่ากันโดยประมาณและเพื่อให้ได้การขยายเสียงที่ต้องการ K1 * K2 = 1,000

ค่าสุดท้ายที่ใช้ในวงจรของเราคือ….

R1 = 6.5 kOhm

R2 = 100 kOhm

R3 = 3.17 kOhm

R4 = 100 kOhm

ขั้นตอนที่ 2: การออกแบบ Notch Filter

มีแนวโน้มว่าในโลกสมัยใหม่จะมีการรวบรวม ECG ใกล้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ หรือแม้แต่ในอาคารที่มีไฟฟ้าจากสายไฟในท้องถิ่น น่าเสียดายที่ลักษณะไฟฟ้าแรงสูงและการสั่นของพลังงานที่ให้มาหมายความว่ามันจะสร้าง "เสียง" ทางไฟฟ้าจำนวนมากในวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่อยู่ใกล้ๆ ซึ่งรวมถึงสายไฟและองค์ประกอบวงจรที่ใช้ในการสร้างวงจรการรวบรวมคลื่นไฟฟ้าหัวใจของเรา

เพื่อต่อสู้กับสิ่งนี้ สัญญาณใดๆ ที่มีความถี่เท่ากับสัญญาณรบกวนที่เกิดจากแหล่งจ่ายไฟภายใน (เรียกว่า mains hum) สามารถกรองและเอาออกโดยพื้นฐาน ในสหรัฐอเมริกา โครงข่ายไฟฟ้าจ่ายไฟ 110-120V ด้วยความถี่ 60 Hz ดังนั้น เราจำเป็นต้องกรองส่วนประกอบสัญญาณใดๆ ที่มีความถี่ 60 Hz ออก โชคดีที่สิ่งนี้เคยทำมาหลายครั้งแล้ว และเพียงแค่ต้องการการออกแบบตัวกรองรอยบาก (ภาพด้านบน)

สมการที่ใช้กับตัวกรองนี้คือ….

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

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

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

Q = w / B

โดยที่ wc2 คือความถี่คัทออฟสูง, w2 ความถี่คัทออฟต่ำ, ความถี่คัทออฟเป็น rad/วินาที และ Q ปัจจัยด้านคุณภาพ

โปรดทราบว่า C เป็นค่าที่สามารถเลือกได้อย่างอิสระ ค่าต่อไปนี้ที่ใช้ในวงจรของเราคือ:

R1 = 1.65 kOhm

R2 = 424.5 kOhm

Q = 8

w = 120 * pi rad/วินาที

ขั้นตอนที่ 3: ตัวกรองความถี่ต่ำ

สัญญาณ ECG มีความถี่ประมาณ 0 - 150Hz เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนจากการเชื่อมต่อกับสัญญาณจากสิ่งต่าง ๆ ที่มีความถี่สูงกว่าช่วงนี้ ตัวกรอง ButterWorth ลำดับที่สองความถี่ต่ำที่มีคัทออฟ 150Hz ได้ถูกนำมาใช้เพื่อให้สัญญาณ ECG ผ่านวงจรเท่านั้น แทนที่จะเลือกค่าตัวเก็บประจุที่พร้อมใช้งานทันที เช่นเดียวกับส่วนประกอบก่อนหน้านี้ ค่าตัวเก็บประจุแรก C2 ถูกเลือกตามสูตรด้านล่าง จากค่านั้น สามารถคำนวณค่าส่วนประกอบอื่น ๆ ทั้งหมดแล้วเพิ่มลงในวงจรโดยที่ยังคงอัตราขยายเป็น 1V/V อีกครั้ง

C2 ≈ 10/fc uf โดยที่ fc คือความถี่คัตออฟ (150 Hz สำหรับกรณีนี้)

จากนั้นสามารถคำนวณค่าที่เหลือตามที่แสดงในตารางรวมเป็นรูปภาพที่สองในขั้นตอนนี้

ค่าสุดท้ายที่ใช้ในการวางในแผนผังด้านบนคือ:

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22.47 kOhm

R2 = 22.56 kOhm

ขั้นตอนที่ 4: การเตรียม LabVIEW

วัสดุเฉพาะที่จำเป็นสำหรับส่วนนี้ของคอลเลกชั่น ECG คือคอมพิวเตอร์ Windows ที่ติดตั้ง LabVIEW แบบ 64 บิตและ National Instruments Signal Conditioning Board () พร้อมโมดูลอินพุตเดียว แผนภาพบล็อกการทำงานภายใน LabVIEW ควรสร้างขึ้นในลักษณะดังต่อไปนี้ เริ่มต้นด้วยการเปิด Functional Block Diagram ที่ว่างเปล่า

แทรกบล็อกผู้ช่วย DAQ และปรับการตั้งค่าดังต่อไปนี้:

การวัด: แอนะล็อก→ แรงดันไฟ

โหมด: RSE

การสุ่มตัวอย่าง: การสุ่มตัวอย่างแบบต่อเนื่อง

ตัวอย่างที่เก็บ: 2500

อัตราการสุ่มตัวอย่าง: 1000 / วินาที

ส่งออกรูปคลื่นที่รวบรวมเป็นกราฟรูปคลื่น นอกจากนี้ ให้คำนวณค่าสูงสุดของข้อมูลรูปคลื่นปัจจุบัน คูณค่าสูงสุดของคลื่นด้วยค่าเช่น.8 เพื่อสร้างขีดจำกัดสำหรับการตรวจจับสูงสุด ค่านี้สามารถปรับเปลี่ยนได้ตามระดับเสียงรบกวนภายในสัญญาณ ป้อนผลิตภัณฑ์ในขั้นตอนก่อนหน้าเป็นเกณฑ์และอาร์เรย์แรงดันไฟฟ้าดิบเป็นข้อมูลสำหรับฟังก์ชัน "Peak Detection" ถัดไป ใช้เอาต์พุต "ตำแหน่ง" ของอาร์เรย์การตรวจจับสูงสุดและลบค่าแรกและค่าที่สอง ซึ่งแสดงถึงความแตกต่างในค่าดัชนีของสองพีคในอาร์เรย์เริ่มต้น ค่านี้สามารถแปลงเป็นผลต่างของเวลาได้โดยการหารค่าด้วยอัตราการสุ่มตัวอย่าง สำหรับกรณีตัวอย่าง คือ 1000 /วินาที สุดท้าย ใช้ค่าผกผันของค่านี้ (ให้ Hz) และคูณด้วย 60 เพื่อให้ได้อัตราการเต้นของหัวใจเป็นหน่วย BPM ต่อนาที แผนภาพบล็อกสุดท้ายสำหรับสิ่งนี้ควรคล้ายกับรูปภาพส่วนหัวสำหรับขั้นตอนนี้

ขั้นตอนที่ 5: การบูรณาการทั้งระบบ

ตอนนี้ส่วนประกอบทั้งหมดได้รับการสร้างขึ้นเป็นรายบุคคล ก็ถึงเวลาที่จะรวมห้างสรรพสินค้าเข้าด้วยกัน ซึ่งสามารถทำได้โดยเพียงแค่เดินสายเอาต์พุตของส่วนหนึ่งไปยังอินพุตของเซ็กเมนต์ต่อไปนี้ ขั้นตอนควรต่อสายในลำดับเดียวกับที่ปรากฏในคำแนะนำนี้ สำหรับขั้นตอนสุดท้าย ตัวกรอง ButterWorth ควรต่ออินพุทเข้ากับหนึ่งในสองลีดบนโมดูลอินพุตของบอร์ดปรับสภาพสัญญาณ ควรต่อตะกั่วอื่นจากโมดูลนี้เข้ากับกราวด์ทั่วไปของวงจร

สำหรับเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด ควรต่อสายทั้งสองเข้ากับอิเล็กโทรด ECG/EKG ทำได้ง่ายดายด้วยการใช้คลิปหนีบปากจระเข้สองตัว จากนั้นวางอิเล็กโทรดหนึ่งอันบนข้อมือแต่ละข้าง ตรวจสอบให้แน่ใจว่าทุกส่วนของวงจรเชื่อมต่อกัน และ LabVIEW VI กำลังทำงานอยู่ และระบบควรแสดงกราฟรูปคลื่นในหน้าต่าง LabVIEW

ผลลัพธ์ควรมีลักษณะคล้ายกับรูปภาพที่สองที่ให้ไว้ในขั้นตอนนี้ หากไม่เหมือนกัน อาจต้องปรับค่าของวงจรของคุณ ปัญหาทั่วไปประการหนึ่งคือ ตัวกรองรอยบากจะไม่อยู่ตรงกลางที่ 60 Hz โดยตรง และอาจสูง/ต่ำเล็กน้อยถึงสูง/ต่ำ สามารถทดสอบได้โดยการสร้างพล็อตลางบอกเหตุสำหรับตัวกรอง ตามหลักการแล้ว ตัวกรองรอยบากจะมีการลดทอนอย่างน้อย 20 dB ที่ 60 Hz นอกจากนี้ยังอาจเป็นประโยชน์ในการตรวจสอบว่าพลังงานในพื้นที่ของคุณจ่ายไฟที่ 60 Hz ไม่ใช่เรื่องแปลกสำหรับบางพื้นที่ที่จะมีอุปกรณ์จ่ายไฟ AC 50 Hz ซึ่งจะทำให้ตัวกรองรอยบากอยู่กึ่งกลางรอบค่านี้