ECG และเครื่องวัดอัตราการเต้นของหัวใจ: 6 ขั้นตอน

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

คลื่นไฟฟ้าหัวใจหรือที่เรียกว่า ECG เป็นการทดสอบที่ตรวจจับและบันทึกกิจกรรมทางไฟฟ้าของหัวใจมนุษย์ ตรวจจับอัตราการเต้นของหัวใจ ความแรง และเวลาของแรงกระตุ้นไฟฟ้าที่ไหลผ่านแต่ละส่วนของหัวใจ ซึ่งสามารถระบุปัญหาหัวใจ เช่น หัวใจวายและภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะ การตรวจคลื่นไฟฟ้าหัวใจในโรงพยาบาลจะใช้อิเล็กโทรด 12 ขั้วกับผิวหนังบริเวณหน้าอก แขน และขา ในทางที่ยากนี้ เราใช้อิเล็กโทรดเพียงสามอัน อันหนึ่งสำหรับข้อมือแต่ละอันเป็นสองไซต์สำหรับการบันทึก และอีกอันสำหรับข้อเท้าขวาเป็นพื้นดิน สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่านี่ไม่ใช่เครื่องมือแพทย์ นี่เป็นเพื่อการศึกษาโดยใช้สัญญาณจำลองเท่านั้น หากใช้วงจรนี้สำหรับการวัด ECG จริง โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรและการเชื่อมต่อระหว่างวงจรกับเครื่องมือใช้เทคนิคการแยกที่เหมาะสม

ในการรับและวิเคราะห์สัญญาณ ECG ของมนุษย์ เราต้องการแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดที่ขยายสัญญาณอินพุตด้วย 1,000 ตัวกรองรอยบากที่กำจัดสัญญาณรบกวนกระแสสลับ (60 Hz) และฟิลเตอร์ความถี่ต่ำที่กรองสัญญาณรบกวนอื่นๆ ที่สูงกว่า 250 Hz ใช้คัทออฟ 250Hz เนื่องจากช่วงความถี่ของคลื่นไฟฟ้าหัวใจของมนุษย์อยู่ระหว่าง 0-250Hz

ขั้นตอนที่ 1: วัสดุ

เครื่องกำเนิดฟังก์ชัน, แหล่งจ่ายไฟ, ออสซิลโลสโคป, เขียงหั่นขนม

ตัวต้านทาน: 1k - 500k ohm

ตัวเก็บประจุ: 20 - 100 nF

เครื่องขยายเสียงปฏิบัติการ x5 (UA741)

ขั้นตอนที่ 2: สร้างเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือ

หมายถึงวงจรและสมการของเครื่องขยายเสียงเครื่องมือวัด ก่อนอื่นเราต้องคำนวณค่าตัวต้านทานที่ถูกต้อง เนื่องจากแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดมี 2 ระยะ จึงมีเกนสองส่วนแยกกัน คือ k1 และ k2 เนื่องจากเราต้องการกำไร 1,000 k1 คูณด้วย k2 ควรเท่ากับหนึ่งพัน ในบทช่วยสอนนี้ เราใช้ค่าต่อไปนี้ คุณสามารถเปลี่ยนค่าเหล่านี้ได้หากคุณไม่มีตัวต้านทานที่หลากหลาย

R1=1000Ω, R2=15000Ω ดังนั้น, K1=1+(2*15000)/1000=31R3=1000Ω, R4=32000Ωhence, K2=32000/1000=32

เมื่อคุณทราบค่าความต้านทานที่คุณต้องการแล้ว ให้ดำเนินการสร้างวงจร

ในการทดสอบเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด คุณสามารถใช้เครื่องกำเนิดฟังก์ชันเพื่อสร้างคลื่นไซน์ที่มีแอมพลิจูดที่รู้จัก เชื่อมต่อกับอินพุตของวงจรและเชื่อมต่อเอาต์พุตของเครื่องขยายเสียงกับออสซิลโลสโคป คุณควรเห็นคลื่นไซน์ที่มีแอมพลิจูด ใหญ่กว่าคลื่นไซน์อินพุต 1000 เท่า

ขั้นตอนที่ 3: สร้าง Notch Filter

คล้ายกับเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด โปรดดูวงจรและสมการเพื่อค้นหาค่าส่วนประกอบที่เหมาะสม เรารู้ว่าในตัวกรองรอยบากนี้ เราจำเป็นต้องตัดความถี่ออกที่ 60Hz ดังนั้น f0 คือ 60Hz เราจะใช้ปัจจัยด้านคุณภาพที่ 8 ซึ่งจะทำให้เรามีความแม่นยำที่ดี การใช้ค่าเหล่านี้ทำให้เราสามารถค้นหาค่าส่วนประกอบที่เหมาะสมได้:

C=100 nF, Q = 8, w0=2ℼf =2*pi*60 =120pi

R1=1/(2*8*120*pi*100*10^-9)=1658Ω

R2=(2*8)/(120*pi*100*10^-9)=424kΩ

R3=(1658*424000)/(1658+424000)=1651Ω

ตอนนี้คุณรู้ค่าของส่วนประกอบที่คุณต้องการแล้ว ไปต่อและสร้างวงจร ไม่ใช่ว่าคุณสามารถใช้ตัวต้านทานแบบขนานหรืออนุกรมเพื่อให้ได้ค่าที่ใกล้เคียงกับค่าที่ต้องการมากที่สุด

หากต้องการทดสอบตัวกรองรอยบาก คุณสามารถทำการกวาดความถี่ได้ ป้อนคลื่นไซน์ที่มีแอมพลิจูด 0.5V และเปลี่ยนความถี่ ดูว่าแอมพลิจูดของเอาต์พุตที่เชื่อมต่อกับออสซิลโลสโคปเปลี่ยนไปอย่างไรเมื่อคุณเข้าใกล้ 60Hz ตัวอย่างเช่น เมื่อคุณความถี่ต่ำกว่า 50 หรือสูงกว่า 70 คุณควรเห็นสัญญาณเอาต์พุตที่คล้ายกับอินพุต แต่ยิ่งคุณเข้าใกล้ 60Hz แอมพลิจูดก็จะลดลง หากสิ่งนี้ไม่เกิดขึ้น ให้ตรวจสอบวงจรของคุณและตรวจสอบว่าคุณใช้ค่าตัวต้านทานที่ถูกต้อง

ขั้นตอนที่ 4: สร้างตัวกรอง Butterworth ลำดับที่สอง

ประเภทของตัวกรองสัญญาณความถี่ต่ำที่เราใช้คือลำดับที่สองที่ทำงานอยู่ ตัวกรองนี้ใช้เพราะมันทำให้เรามีความแม่นยำเพียงพอและถึงแม้จะต้องการพลังงาน แต่ประสิทธิภาพดีกว่า ตัวกรองถูกออกแบบมาเพื่อตัดความถี่ที่สูงกว่า 250 Hz ทั้งนี้เนื่องจากสัญญาณ ECG มีส่วนประกอบความถี่ต่างกันซึ่งอยู่ระหว่างศูนย์ถึง 250 Hz และสัญญาณใดๆ ที่มีความถี่สูงกว่า 250 Hz จะถือเป็นสัญญาณรบกวน ภาพแรกแสดงแผนผังของตัวกรองความถี่ต่ำพร้อมค่าตัวต้านทานที่ถูกต้องทั้งหมด (โปรดทราบว่า R7 ควรเป็น 25632Ω แทนที่จะเป็น4kΩ) รูปภาพที่สองมีสมการทั้งหมดที่คุณสามารถใช้คำนวณค่าส่วนประกอบได้ด้วยตนเอง

ในการทดสอบตัวกรองความถี่ต่ำ ให้ใช้ตัวสร้างฟังก์ชันเพื่อสร้างคลื่นไซน์ที่มีแอมพลิจูด 0.5V เมื่อป้อนความถี่ที่ต่ำกว่า 250Hz คุณควรเห็นเอาต์พุตที่คล้ายกับอินพุต แต่ยิ่งคุณได้รับมากหลังจาก 250Hz เอาต์พุตจะเล็กลงและในที่สุดจะกลายเป็นศูนย์จริงๆ

ขั้นตอนที่ 5: รวมทุกอย่างเข้าด้วยกัน

หลังจากที่คุณสร้างสามขั้นตอนเสร็จแล้ว ให้ประกอบเข้าด้วยกันโดยใส่แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด ตามด้วยฟิลเตอร์บาก และฟิลเตอร์โลว์พาส วงจรของคุณควรมีลักษณะคล้ายกับภาพนี้

ขั้นตอนที่ 6: ทดสอบวงจรทั้งหมด

ใช้เครื่องกำเนิดฟังก์ชัน ป้อนสัญญาณ ECG ตามอำเภอใจที่มีแอมพลิจูดไม่เกิน 15mV ไปยังอินพุตของเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด เชื่อมต่อเอาต์พุตของตัวกรองความถี่ต่ำกับออสซิลโลสโคป คุณควรได้ผลลัพธ์ที่คล้ายกับภาพนี้ สัญญาณสีเขียวคือเอาต์พุตของบอร์ดและสัญญาณสีเหลืองคือสัญญาณอินพุตของวงจร คุณยังสามารถวัดอัตราการเต้นของหัวใจได้ด้วยการหาความถี่โดยใช้ออสซิลโลสโคปและคูณตัวเลขนั้นด้วย 60

โปรดทราบว่าหากคุณต้องการวัดสัญญาณ ECG ของคุณเอง คุณสามารถทำได้โดยเชื่อมต่ออินพุตสองตัวของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดเข้ากับข้อมือแต่ละข้างของคุณโดยใช้อิเล็กโทรดและต่อสายดินที่ขาของคุณ เพียงอยู่ตรงกลางก่อนทำให้แน่ใจว่าวงจรและการเชื่อมต่อระหว่างวงจรกับเครื่องมือใช้เทคนิคการแยกที่เหมาะสม