วงจร ECG: 7 ขั้นตอน

2025 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2025-01-23 15:12

ECG เป็นการทดสอบที่วัดกิจกรรมทางไฟฟ้าของหัวใจโดยการบันทึกจังหวะและกิจกรรมของหัวใจ มันทำงานโดยการรับและอ่านสัญญาณจากหัวใจโดยใช้สายที่ติดกับเครื่องตรวจคลื่นไฟฟ้าหัวใจ คำแนะนำนี้จะแสดงวิธีสร้างวงจรที่บันทึก กรอง และแสดงสัญญาณไฟฟ้าชีวภาพของหัวใจ นี่ไม่ใช่เครื่องมือแพทย์ นี่เป็นเพื่อการศึกษาโดยใช้สัญญาณจำลองเท่านั้น หากใช้วงจรนี้สำหรับการวัด ECG จริง โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรและการเชื่อมต่อระหว่างวงจรกับเครื่องมือใช้เทคนิคการแยกที่เหมาะสม

วงจรนี้ประกอบด้วยสามขั้นตอนต่างๆ ที่ต่อสายเข้าด้วยกันเป็นชุดด้วยโปรแกรม LabView ตัวต้านทานในแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดได้รับการคำนวณด้วยอัตราขยาย 975 เพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณขนาดเล็กจากหัวใจยังคงสามารถรับได้ในวงจร ตัวกรองรอยบากจะขจัดเสียงรบกวน 60 Hz จากเต้ารับในผนัง ตัวกรองสัญญาณความถี่ต่ำช่วยให้มั่นใจได้ว่าสัญญาณรบกวนความถี่สูงจะถูกลบออกจากวงจรเพื่อการตรวจจับสัญญาณที่ดียิ่งขึ้น

ก่อนที่จะเริ่มคำแนะนำนี้ คุณควรทำความคุ้นเคยกับ uA741 General Purpose Operational Amplifier พินต่างๆ ใน op-amp มีจุดประสงค์ที่แตกต่างกัน และวงจรจะไม่ทำงานหากเชื่อมต่ออย่างไม่ถูกต้อง การเชื่อมต่อหมุดเข้ากับเขียงหั่นขนมอย่างไม่ถูกต้องเป็นวิธีที่ง่ายในการทอด op-amp และทำให้ไม่ทำงาน ลิงค์ด้านล่างมีแผนผังที่ใช้สำหรับ op-amps ในคำแนะนำนี้

ที่มาของรูปภาพ:

ขั้นตอนที่ 1: รวบรวมวัสดุ

วัสดุที่จำเป็นสำหรับตัวกรองทั้ง 3 ขั้นตอน:

• ออสซิลโลสโคป
• เครื่องกำเนิดฟังก์ชัน
• แหล่งจ่ายไฟ (+15V, -15V)
• เขียงหั่นขนมไร้บัดกรี
• สายกล้วยและคลิปจระเข้ต่างๆ
• สติ๊กเกอร์อิเล็กโทรด ECG
• สายจัมเปอร์ต่างๆ

เครื่องขยายเสียงเครื่องมือวัด:

• 3 ออปแอมป์ (uA741)

• ตัวต้านทาน:

  • 1 kΩ x 3
  • 12 kΩ x 2
  • 39 kΩ x 2

ตัวกรองรอย:

• 1 ออปแอมป์ (uA741)

• ตัวต้านทาน:

  • 1.6 kΩ x 2
  • 417 kΩ

• ตัวเก็บประจุ:

  • 100 nF x 2
  • 200 nF

กรองผ่านต่ำ:

• 1 ออปแอมป์ (uA741)

• ตัวต้านทาน:

  • 23.8 kΩ
  • 43 kΩ

• ตัวเก็บประจุ:

  • 22 nF
  • 47 nF

ขั้นตอนที่ 2: สร้างเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือ

สัญญาณชีวภาพมักจะมีแรงดันเอาต์พุตระหว่าง 0.2 ถึง 2 mV เท่านั้น [2] แรงดันไฟฟ้าเหล่านี้มีขนาดเล็กเกินไปที่จะวิเคราะห์บนออสซิลโลสโคป ดังนั้นเราจึงจำเป็นต้องสร้างแอมพลิฟายเออร์

หลังจากสร้างวงจรของคุณแล้ว ให้ทดสอบเพื่อให้แน่ใจว่าทำงานได้อย่างถูกต้องโดยการวัดแรงดันไฟฟ้าที่ Vout (แสดงเป็นโหนด 2 ในภาพด้านบน) เราใช้ตัวสร้างฟังก์ชันเพื่อส่งคลื่นไซน์ที่มีแรงดันแอมพลิจูดอินพุต 20 mV ไปยังแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดของเรา สิ่งใดที่อยู่ไกลเกินกว่านี้จะไม่ให้ผลลัพธ์ที่คุณต้องการเพราะ op amps ได้รับพลังงานเพียง -15 และ +15 V จำนวนหนึ่งเท่านั้น เปรียบเทียบเอาต์พุตของตัวสร้างฟังก์ชันกับเอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดและ มองหาค่าเกนที่เกือบ 1,000 V. (Vout/Vin ควรใกล้มากที่ 1,000)

เคล็ดลับสำหรับการแก้ไขปัญหา: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าตัวต้านทานทั้งหมดอยู่ในช่วง kΩ

[2]“การปรับสภาพสัญญาณคลื่นไฟฟ้าหัวใจประสิทธิภาพสูง (ECG) | การศึกษา | อุปกรณ์อนาล็อก” [ออนไลน์]. พร้อมใช้งาน: https://www.analog.com/en/education/education-library/articles/high-perf-electrocardiogram-signal-conditioning.html [เข้าถึง: 10-ธ.ค. 2560].]

ขั้นตอนที่ 3: สร้าง Notch Filter

ตัวกรองรอยบากของเราออกแบบมาเพื่อกรองความถี่ที่ 60 Hz เราต้องการกรอง 60 Hz ออกจากสัญญาณของเราเพราะนั่นคือความถี่ของกระแสสลับที่พบในเต้ารับไฟฟ้า

เมื่อทดสอบตัวกรองรอยบาก ให้วัดอัตราส่วนยอดต่อยอดระหว่างกราฟอินพุตและเอาต์พุต ที่ 60 Hz ควรมีอัตราส่วน -20 dB หรือดีกว่า เนื่องจากที่ -20 dB แรงดันเอาต์พุตจะเป็น 0V ซึ่งหมายความว่าคุณกรองสัญญาณที่ 60 Hz ได้สำเร็จ! ทดสอบความถี่ประมาณ 60 Hz ด้วยเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีการกรองความถี่อื่นโดยไม่ได้ตั้งใจ

เคล็ดลับสำหรับการแก้ไขปัญหา: หากคุณไม่สามารถรับ -20dB ที่ 60 Hz ได้อย่างแม่นยำ ให้เลือกตัวต้านทานหนึ่งตัวแล้วเปลี่ยนเล็กน้อยจนกว่าคุณจะได้ผลลัพธ์ที่ต้องการ เราต้องเล่นกับค่า R2 จนกว่าเราจะได้ผลลัพธ์ที่เราต้องการ

ขั้นตอนที่ 4: สร้างตัวกรองความถี่ต่ำ

ฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำของเราได้รับการออกแบบให้มีความถี่ตัดที่ 150 Hz เราเลือกจุดตัดนี้เนื่องจากช่วงการวินิจฉัยที่กว้างที่สุดสำหรับ ECG คือ 0.05 Hz - 150 Hz โดยถือว่าอยู่ในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีการเคลื่อนไหวและมีเสียงรบกวนต่ำ [3] ตัวกรองความถี่ต่ำสามารถกำจัดเสียงรบกวนความถี่สูงที่มาจากกล้ามเนื้อหรือส่วนอื่น ๆ ของร่างกายได้[4]

เพื่อทดสอบวงจรนี้เพื่อให้แน่ใจว่าทำงานได้อย่างถูกต้อง ให้วัด Vout (แสดงเป็นโหนด 1 ในแผนภาพวงจร) ที่ 150 Hz แอมพลิจูดของสัญญาณเอาต์พุตควรเป็น 0.7 เท่าของแอมพลิจูดของสัญญาณอินพุต เราใช้สัญญาณอินพุต 1V เพื่อให้เห็นได้ง่ายว่าเอาต์พุตของเราควรเป็น 0.7 ที่ 150 Hz

เคล็ดลับสำหรับการแก้ไขปัญหา: ตราบใดที่ความถี่ตัดของคุณอยู่ภายในไม่กี่ Hz ของ 150 Hz วงจรของคุณควรจะยังทำงาน คัทออฟของเราจบลงที่ 153 Hz ช่วงของสัญญาณชีวภาพจะผันผวนเล็กน้อยในร่างกาย ตราบใดที่คุณไม่ได้ปิดเกินสองสาม Hz วงจรของคุณก็จะยังทำงานได้

[3] “ตัวกรองคลื่นไฟฟ้าหัวใจ | เมดทีค” [ออนไลน์]. มีจำหน่าย: https://www.medteq.info/med/ECGFilters [เข้าถึง: 10-ธ.ค. 2560].

[4] K. L. Venkatachalam, J. E. Herbrandson และ S. J. Asirvatham, “สัญญาณและการประมวลผลสัญญาณสำหรับ Electrophysiologist: ส่วนที่ 1: Electrogram Acquisition,” Circ. เต้นผิดจังหวะ Electrophysiol., vol. 4 ไม่ 6, pp. 965–973, ธ.ค. 2011.

ขั้นตอนที่ 5: สร้างโปรแกรม LabView

[5] “โครงการ BME 305 Design Lab” (ฤดูใบไม้ร่วง 2560).

แผนภาพบล็อกแล็บวิวนี้ออกแบบมาเพื่อวิเคราะห์สัญญาณที่ไหลผ่านโปรแกรม ตรวจหาพีค ECG รวบรวมความแตกต่างของเวลาระหว่างพีค และคำนวณ BPM ทางคณิตศาสตร์ นอกจากนี้ยังแสดงกราฟของรูปคลื่น ECG

ขั้นตอนที่ 6: เชื่อมต่อทั้งสามขั้นตอน

เชื่อมต่อทั้งสามวงจรเป็นอนุกรมโดยเชื่อมต่อเอาท์พุตของเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัดเข้ากับอินพุตของตัวกรองรอยบาก และเอาต์พุตของตัวกรองรอยบากกับอินพุตของตัวกรองความถี่ต่ำ เชื่อมต่อเอาต์พุตของตัวกรองความถี่ต่ำกับตัวช่วย DAQ และเชื่อมต่อตัวช่วย DAQ กับคอมพิวเตอร์ เมื่อต่อวงจรเข้าด้วยกัน ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ต่อรางปลั๊กไฟสำหรับแผงวงจรทดลองแต่ละอันแล้ว และแถบกราวด์ทั้งหมดเชื่อมต่อกับขั้วต่อกราวด์เดียวกัน

ในแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด op-amp ตัวที่สองจะต้องไม่มีกราวด์เพื่อให้ขั้วอิเล็กโทรดสองตัวที่เชื่อมต่อกับตัวแบบทดสอบแต่ละตัวสามารถเชื่อมต่อกับ op amp ที่แตกต่างกันในขั้นตอนแรกของตัวกรองนั้น

ขั้นตอนที่ 7: รับสัญญาณจากผู้ทดลองที่เป็นมนุษย์

ควรติดสติกเกอร์อิเล็กโทรดหนึ่งอันบนข้อมือแต่ละข้าง และอีกอันหนึ่งควรติดไว้ที่ข้อเท้าเพื่อลงกราวด์ ใช้คลิปหนีบปากจระเข้เพื่อเชื่อมต่ออิเล็กโทรดที่ข้อมือทั้งสองเข้ากับอินพุตของเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัดและข้อเท้าลงกับพื้น เมื่อพร้อมแล้ว คลิก "เรียกใช้" ในโปรแกรม LabView และดูอัตราการเต้นของหัวใจและ ECG บนหน้าจอ!