โปรแกรม ECG Circuit และ LabVIEW Heart Rate อย่างง่าย: 6 ขั้นตอน

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

คลื่นไฟฟ้าหัวใจหรือที่เรียกว่า ECG เป็นระบบวินิจฉัยและติดตามที่มีประสิทธิภาพอย่างยิ่งที่ใช้ในการปฏิบัติทางการแพทย์ทั้งหมด ECG ใช้เพื่อสังเกตกิจกรรมทางไฟฟ้าของหัวใจแบบกราฟิกเพื่อตรวจสอบความผิดปกติของอัตราการเต้นของหัวใจหรือการส่งสัญญาณไฟฟ้า

จากการอ่าน ECG อัตราการเต้นของหัวใจของผู้ป่วยสามารถกำหนดได้โดยระยะห่างระหว่างเวลาระหว่างคอมเพล็กซ์ QRS นอกจากนี้ ยังสามารถตรวจพบเงื่อนไขทางการแพทย์อื่นๆ เช่น ภาวะหัวใจวายที่รอดำเนินการโดยระดับความสูงของเซ็กเมนต์ ST การอ่านเช่นนี้มีความสำคัญต่อการวินิจฉัยและรักษาผู้ป่วยอย่างเหมาะสม คลื่น P แสดงการหดตัวของเอเทรียมของหัวใจ เส้นโค้ง QRS เป็นการหดตัวของหัวใจห้องล่าง และคลื่น T เป็นการรีโพลาไรเซชันของหัวใจ การรู้ข้อมูลง่าย ๆ เช่นนี้สามารถวินิจฉัยผู้ป่วยได้อย่างรวดเร็วสำหรับการทำงานของหัวใจผิดปกติ

คลื่นไฟฟ้าหัวใจมาตรฐานที่ใช้ในสถานพยาบาลมีขั้วไฟฟ้า 7 ขั้วที่วางอยู่ในรูปครึ่งวงกลมที่ไม่รุนแรงบริเวณส่วนล่างของหัวใจ ตำแหน่งของอิเล็กโทรดนี้ช่วยลดเสียงรบกวนขณะบันทึกและยังช่วยให้การวัดมีความสม่ำเสมอมากขึ้น สำหรับจุดประสงค์ของเราในการสร้างวงจร ECG เราจะใช้อิเล็กโทรดเพียงสามขั้วเท่านั้น อิเล็กโทรดอินพุตบวกจะอยู่ที่ข้อมือด้านในด้านขวา อิเล็กโทรดอินพุตเชิงลบจะอยู่ที่ข้อมือด้านในด้านซ้าย และอิเล็กโทรดกราวด์จะเชื่อมต่อกับข้อเท้า วิธีนี้จะช่วยให้การอ่านค่าผ่านหัวใจมีความแม่นยำสัมพันธ์กัน ด้วยตำแหน่งของอิเล็กโทรดที่เชื่อมต่อกับแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด ตัวกรองความถี่ต่ำ และตัวกรองรอยบาก รูปแบบคลื่น ECG ควรแยกแยะได้ง่ายเป็นสัญญาณเอาท์พุตจากวงจรที่สร้างขึ้น

หมายเหตุ: นี่ไม่ใช่อุปกรณ์ทางการแพทย์ นี่เป็นเพื่อการศึกษาโดยใช้สัญญาณจำลองเท่านั้น หากใช้วงจรนี้สำหรับการวัด ECG จริง โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรและการเชื่อมต่อระหว่างวงจรกับเครื่องมือใช้เทคนิคการแยกที่เหมาะสม

ขั้นตอนที่ 1: สร้างเครื่องมือขยายสัญญาณ

ในการสร้างเครื่องมือวัดหลายขั้นตอนด้วยอัตราขยาย 1,000 หรือ 60 เดซิเบล ควรใช้สมการต่อไปนี้

กำไร=(1+2*R1/Rgain)

R1 มีค่าเท่ากับตัวต้านทานทั้งหมดที่ใช้ในเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด นอกเหนือจากตัวต้านทานเกนซึ่งจะทำให้เกนทั้งหมดมีส่วนร่วมในขั้นตอนแรกของแอมพลิฟายเออร์ ได้รับเลือกให้เป็น 50.3 kΩ ในการคำนวณค่าความต้านทานเกน ค่านี้จะถูกเสียบเข้ากับสมการข้างต้น

1000=(1+2*50300/Rgain)

Rgain=100.7

หลังจากคำนวณค่านี้แล้ว สามารถสร้างแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดได้ดังวงจรต่อไปนี้ที่แสดงในขั้นตอนนี้ OP/AMP ควรใช้ไฟบวกและลบ 15 โวลต์ตามที่แสดงในแผนภาพวงจร ตัวเก็บประจุบายพาสสำหรับ OP/AMP แต่ละตัวควรวางไว้ใกล้กับ OP/AMP ตามลำดับโดยมีแหล่งจ่ายไฟเพื่อรองรับสัญญาณ AC ที่มาจากแหล่งพลังงานไปยังกราวด์เพื่อป้องกันไม่ให้ OP/AMP ถูกทอดทิ้งและอาจมีเสียงรบกวนเพิ่มเติม ไปที่สัญญาณ นอกจากนี้ ในการทดสอบการรับจริงของวงจร โหนดอิเล็กโทรดบวกควรได้รับคลื่นไซน์อินพุต และโหนดอิเล็กโทรดลบควรเชื่อมต่อกับกราวด์ ซึ่งจะช่วยให้มองเห็นอัตราขยายของวงจรได้อย่างแม่นยำด้วยสัญญาณอินพุตที่น้อยกว่า 15 mV จนถึงจุดสูงสุด

ขั้นตอนที่ 2: สร้างตัวกรองความถี่ต่ำลำดับที่ 2

ตัวกรองความถี่ต่ำอันดับ 2 ถูกใช้เพื่อขจัดสัญญาณรบกวนที่อยู่เหนือความถี่ที่น่าสนใจสำหรับสัญญาณ ECG ซึ่งเท่ากับ 150 Hz

ค่า K ที่ใช้ในการคำนวณสำหรับตัวกรองความถี่ต่ำลำดับที่ 2 คือค่าเกน เนื่องจากเราไม่ต้องการเกนใด ๆ ในตัวกรองของเรา เราจึงเลือกค่าเกนที่ 1 ซึ่งหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะเท่ากับแรงดันเอาต์พุต

K=1

สำหรับตัวกรอง Butterworth อันดับสองซึ่งจะใช้สำหรับวงจรนี้ ค่าสัมประสิทธิ์ a และ b ถูกกำหนดไว้ด้านล่าง a=1.414214 b=1

ประการแรก ค่าตัวเก็บประจุที่สองถูกเลือกให้เป็นตัวเก็บประจุขนาดค่อนข้างใหญ่ที่หาได้ง่ายในห้องปฏิบัติการและในโลกแห่งความเป็นจริง

C2=0.1 F

ในการคำนวณตัวเก็บประจุตัวแรกจะใช้ความสัมพันธ์ต่อไปนี้ระหว่างตัวเก็บประจุกับตัวเก็บประจุตัวที่สอง ค่าสัมประสิทธิ์ K, a และ b ถูกเสียบเข้ากับสมการเพื่อคำนวณว่าค่านี้ควรเป็นเท่าใด

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

C1<=(0.1*10^-6[1.414214^2+4*1(1-1)]/4*1

C1<=50 nF

เนื่องจากตัวเก็บประจุตัวแรกคำนวณให้น้อยกว่าหรือเท่ากับ 50 nF ค่าตัวเก็บประจุต่อไปนี้จึงถูกเลือก

C1=33 nF

ในการคำนวณตัวต้านทานตัวแรกที่จำเป็นสำหรับตัวกรองความถี่ต่ำลำดับที่สองที่มีความถี่ตัดที่ 150 Hz สมการต่อไปนี้ได้รับการแก้ไขโดยใช้ทั้งค่าตัวเก็บประจุที่คำนวณได้และค่าสัมประสิทธิ์ K, a และ b R1=2/[(ความถี่ตัด)*[aC2*sqrt([(a^2+4b(K-1))C2^2-4bC1C2])]

R1=9478 โอห์ม

ในการคำนวณตัวต้านทานที่สอง ใช้สมการต่อไปนี้ ความถี่ตัดอีกครั้งคือ 150 Hz และค่าสัมประสิทธิ์ b คือ 1

R2=1/[bC1C2R1(ความถี่คัตออฟ)^2]

R2=35.99 kOhmหลังจากคำนวณค่าข้างต้นสำหรับตัวต้านทานและตัวเก็บประจุที่จำเป็นสำหรับตัวกรองรอยบากอันดับสอง วงจรต่อไปนี้ถูกสร้างขึ้นเพื่อแสดงตัวกรองความถี่ต่ำที่ใช้งานอยู่ที่จะใช้ OP/AMP ใช้ไฟบวกและลบ 15 โวลต์ดังแสดงในแผนภาพ ตัวเก็บประจุบายพาสเชื่อมต่อกับแหล่งพลังงาน ดังนั้นสัญญาณ AC ใดๆ ที่ออกมาจากแหล่งกำเนิดจะถูกโอนไปยังกราวด์เพื่อให้แน่ใจว่า OP/AMP จะไม่ถูกรบกวนโดยสัญญาณนี้ ในการทดสอบขั้นตอนนี้ของวงจร ECG โหนดสัญญาณอินพุตควรเชื่อมต่อกับคลื่นไซน์และควรทำการกวาด AC จาก 1 Hz ถึง 200 Hz เพื่อดูว่าตัวกรองทำงานอย่างไร

ขั้นตอนที่ 3: สร้าง Notch Filter

ตัวกรองรอยบากเป็นส่วนสำคัญอย่างยิ่งในหลายๆ วงจรสำหรับการวัดสัญญาณความถี่ต่ำ ที่ความถี่ต่ำ สัญญาณรบกวน AC 60 Hz เป็นเรื่องปกติอย่างยิ่ง เนื่องจากเป็นความถี่ของกระแสไฟ AC ที่ไหลผ่านอาคารต่างๆ ในสหรัฐอเมริกา สัญญาณรบกวน 60 Hz นั้นไม่สะดวกเนื่องจากอยู่ตรงกลางของย่านความถี่ผ่านสำหรับ ECG แต่ตัวกรองรอยบากสามารถลบความถี่เฉพาะในขณะที่รักษาสัญญาณที่เหลือไว้ เมื่อออกแบบตัวกรองรอยบากนี้ จำเป็นต้องมีปัจจัยคุณภาพสูง Q เพื่อให้แน่ใจว่าการม้วนออกของจุดตัดมีความคมรอบจุดสนใจ ด้านล่างมีรายละเอียดการคำนวณที่ใช้สร้างตัวกรองรอยบากแบบแอ็คทีฟที่จะใช้ในวงจร ECG

ขั้นแรกให้แปลงความถี่ที่สนใจ 60 Hz จาก Hz เป็น rad/s

ความถี่=2*pi*ความถี่

ความถี่=376.99 rad/วินาที

ถัดไป ควรคำนวณแบนด์วิดท์ของความถี่ที่ตัด ค่าเหล่านี้กำหนดในลักษณะที่ทำให้แน่ใจได้ว่าความถี่หลักที่น่าสนใจคือ 60 Hz ถูกตัดขาดโดยสมบูรณ์ และความถี่รอบข้างเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่จะได้รับผลกระทบ

แบนด์วิดท์=Cutoff2-Cutoff1

แบนด์วิดท์=37.699 ปัจจัยด้านคุณภาพจะต้องพิจารณาต่อไป ปัจจัยด้านคุณภาพเป็นตัวกำหนดความคมของรอยบากและระยะการตัดที่แคบลง คำนวณโดยใช้แบนด์วิดท์และความถี่ที่น่าสนใจ Q=ความถี่/ความกว้างของแบนด์

Q = 10

เลือกค่าตัวเก็บประจุที่พร้อมใช้งานสำหรับตัวกรองนี้ ตัวเก็บประจุไม่จำเป็นต้องมีขนาดใหญ่และไม่ควรเล็กเกินไปอย่างแน่นอน

C=100 nF

ในการคำนวณตัวต้านทานตัวแรกที่ใช้ในตัวกรองรอยบากแบบแอ็คทีฟ ใช้ความสัมพันธ์ต่อไปนี้ที่เกี่ยวข้องกับปัจจัยด้านคุณภาพ ความถี่ที่น่าสนใจ และตัวเก็บประจุที่เลือก

R1=1/[2QC*ความถี่]

R1=1326.29 โอห์ม

ตัวต้านทานตัวที่สองที่ใช้ในตัวกรองนี้คำนวณโดยใช้ความสัมพันธ์ต่อไปนี้

R2=2Q/[ความถี่*C]

R2=530516 โอห์ม

ตัวต้านทานสุดท้ายสำหรับตัวกรองนี้คำนวณโดยใช้ค่าตัวต้านทานสองตัวก่อนหน้า คาดว่าจะคล้ายกับตัวต้านทานตัวแรกที่คำนวณได้มาก

R3=R1*R2/[R1+R2]

R3=1323 โอห์ม

หลังจากคำนวณค่าส่วนประกอบทั้งหมดโดยใช้สมการที่อธิบายข้างต้นแล้ว ควรสร้างตัวกรองรอยบากต่อไปนี้เพื่อกรองสัญญาณรบกวน AC 60 Hz ที่จะรบกวนสัญญาณ ECG ได้อย่างแม่นยำ OP/AMP ควรได้รับกระแสไฟบวกและลบ 15 โวลต์ดังแสดงในวงจรด้านล่าง ตัวเก็บประจุบายพาสเชื่อมต่อจากแหล่งพลังงานบน OP/AMP เพื่อให้สัญญาณ AC ใด ๆ ที่มาจากแหล่งพลังงานถูกเปลี่ยนเส้นทางไปยังกราวด์เพื่อให้แน่ใจว่า OP/AMP จะไม่ถูกทอดทิ้ง เพื่อทดสอบส่วนนี้ของวงจร สัญญาณอินพุต ควรเชื่อมต่อกับคลื่นไซน์และควรทำการกวาด AC จาก 40 Hz ถึง 80 Hz เพื่อดูการกรองสัญญาณ 60 Hz

ขั้นตอนที่ 4: สร้างโปรแกรม LabVIEW เพื่อคำนวณอัตราการเต้นของหัวใจ

LabVIEW เป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์สำหรับการเรียกใช้เครื่องมือและการรวบรวมข้อมูล ในการรวบรวมข้อมูล ECG จะใช้บอร์ด DAQ ซึ่งจะอ่านแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่อัตราการสุ่มตัวอย่าง 1 kHz แรงดันไฟฟ้าขาเข้าเหล่านี้จะถูกส่งออกไปยังพล็อตที่ใช้เพื่อแสดงการบันทึก ECG ข้อมูลที่รวบรวมจะผ่านตัวค้นหาสูงสุดซึ่งส่งออกค่าสูงสุดที่อ่าน ค่าเหล่านี้อนุญาตให้คำนวณขีดจำกัดสูงสุดที่ 98% ของเอาต์พุตสูงสุด หลังจากนั้น จะใช้เครื่องตรวจจับจุดสูงสุดเพื่อกำหนดว่าข้อมูลจะมากกว่าเกณฑ์นั้นเมื่อใด ข้อมูลนี้พร้อมกับเวลาระหว่างพีคสามารถใช้กำหนดอัตราการเต้นของหัวใจได้ การคำนวณอย่างง่ายนี้จะกำหนดอัตราการเต้นของหัวใจอย่างแม่นยำจากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่อ่านโดยบอร์ด DAQ

ขั้นตอนที่ 5: การทดสอบ

หลังจากสร้างวงจรของคุณแล้ว คุณก็พร้อมที่จะนำไปใช้งานได้! ขั้นแรก ควรทดสอบแต่ละขั้นตอนด้วยการกวาดความถี่ AC ตั้งแต่ 0.05 Hz ถึง 200 Hz แรงดันไฟฟ้าขาเข้าไม่ควรเกิน 15 mV จนถึงจุดสูงสุด เพื่อที่สัญญาณจะไม่ถูกจำกัดโดยข้อจำกัดของ OP/AMP ถัดไป เชื่อมต่อวงจรทั้งหมดและเรียกใช้การกวาด AC แบบเต็มอีกครั้งเพื่อให้แน่ใจว่าทุกอย่างทำงานอย่างถูกต้อง หลังจากที่คุณพอใจกับเอาต์พุตของวงจรทั้งหมดของคุณแล้ว ก็ถึงเวลาเชื่อมต่อตัวเองกับวงจรนั้น วางขั้วบวกไว้ที่ข้อมือขวาและขั้วลบที่ข้อมือซ้าย วางอิเล็กโทรดกราวด์บนข้อเท้าของคุณ เชื่อมต่อเอาท์พุตของวงจรทั้งหมดเข้ากับบอร์ด DAQ ของคุณและรันโปรแกรม LabVIEW สัญญาณ ECG ของคุณควรจะมองเห็นได้บนกราฟรูปคลื่นบนคอมพิวเตอร์ หากไม่เป็นเช่นนั้นหรือบิดเบี้ยว ให้ลองลดเกนของวงจรลงเหลือประมาณ 10 โดยเปลี่ยนตัวต้านทานเกนตามนั้น สิ่งนี้ควรอนุญาตให้โปรแกรม LabVIEW อ่านสัญญาณได้