วงจรบันทึกคลื่นไฟฟ้าหัวใจอย่างง่ายและเครื่องวัดอัตราการเต้นของหัวใจ LabVIEW: 5 ขั้นตอน

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

นี่ไม่ใช่อุปกรณ์ทางการแพทย์ แต่มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาโดยใช้สัญญาณจำลองเท่านั้น หากใช้วงจรนี้สำหรับการวัด ECG จริง โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรและการเชื่อมต่อระหว่างวงจรกับเครื่องมือใช้เทคนิคการแยกที่เหมาะสม

ลักษณะพื้นฐานที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งของการดูแลสุขภาพสมัยใหม่ คือ ความสามารถในการจับคลื่นหัวใจโดยใช้ ECG หรือการตรวจคลื่นไฟฟ้าหัวใจ เทคนิคนี้ใช้อิเล็กโทรดบนพื้นผิวเพื่อวัดรูปแบบไฟฟ้าต่างๆ ที่ปล่อยออกมาจากหัวใจ เพื่อให้สามารถใช้เอาต์พุตเป็นเครื่องมือในการวินิจฉัยเพื่อวินิจฉัยภาวะหัวใจและปอด เช่น รูปแบบต่างๆ ของอิศวร การอุดตันของกิ่งก้าน และการเจริญเติบโตมากเกินไป ในการวินิจฉัยสภาวะเหล่านี้ รูปคลื่นสัญญาณเอาท์พุตจะเปรียบเทียบกับสัญญาณ ECG ปกติ

ในการสร้างระบบที่สามารถรับรูปคลื่น ECG ได้ จะต้องขยายสัญญาณก่อน จากนั้นจึงกรองสัญญาณรบกวนออกอย่างเหมาะสม ในการทำเช่นนี้ วงจรสามขั้นตอนสามารถสร้างขึ้นได้โดยใช้แอมป์ OP

คำแนะนำนี้จะให้ข้อมูลที่จำเป็นในการออกแบบและสร้างวงจรอย่างง่ายที่สามารถบันทึกสัญญาณ ECG โดยใช้อิเล็กโทรดพื้นผิวแล้วกรองสัญญาณนั้นเพื่อการประมวลผลและการวิเคราะห์เพิ่มเติม นอกจากนี้ Instructable นี้จะสรุปเทคนิคหนึ่งที่ใช้ในการวิเคราะห์สัญญาณนั้นเพื่อสร้างการแสดงภาพกราฟิกของเอาต์พุตของวงจร รวมถึงวิธีการคำนวณอัตราการเต้นของหัวใจจากเอาต์พุตของวงจรรูปคลื่น ECG

หมายเหตุ: เมื่อออกแบบแต่ละขั้นตอน ต้องแน่ใจว่าได้ทำการกวาดล้าง AC ทั้งแบบทดลองและผ่านการจำลองเพื่อให้แน่ใจว่าพฤติกรรมของวงจรที่ต้องการ

ขั้นตอนที่ 1: ออกแบบและสร้างเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือ

ขั้นตอนแรกในวงจร ECG นี้คือเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด ซึ่งประกอบด้วยแอมป์ OP สามตัว OP amp สองตัวแรกเป็นอินพุตแบบบัฟเฟอร์ ซึ่งจะถูกป้อนเข้าสู่ OP amp ตัวที่สามซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล สัญญาณจากร่างกายจะต้องถูกบัฟเฟอร์ มิฉะนั้น เอาต์พุตจะลดลงเนื่องจากร่างกายไม่สามารถจ่ายกระแสไฟได้มาก แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลใช้ความแตกต่างระหว่างแหล่งอินพุตทั้งสองเพื่อสร้างความต่างศักย์ที่วัดได้ ในขณะเดียวกันก็ตัดเสียงรบกวนทั่วไปออกไป ระยะนี้ยังได้รับ 1,000 ซึ่งขยาย mV ทั่วไปให้เป็นแรงดันไฟฟ้าที่อ่านได้ง่ายขึ้น

อัตราขยายของวงจร 1,000 สำหรับเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือคำนวณโดยสมการที่แสดง อัตราขยายขั้นที่ 1 ของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือคำนวณคำนวณโดย (2) และระยะขยายที่ 2 ของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดคำนวณโดย (3) K1 และ K2 ถูกคำนวณเพื่อไม่ให้แตกต่างกันมากกว่าค่า 15

เพื่อให้ได้ 1,000 K1 สามารถตั้งค่าเป็น 40 และ K2 สามารถตั้งค่าเป็น 25 ค่าตัวต้านทานทั้งหมดสามารถคำนวณได้ แต่แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดเฉพาะนี้ใช้ค่าตัวต้านทานด้านล่าง:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

ขั้นตอนที่ 2: ออกแบบและสร้างตัวกรองรอย

ขั้นตอนต่อไปคือตัวกรองรอยบากเพื่อลบสัญญาณ 60 Hz ที่มาจากปลั๊กไฟ

ในตัวกรองรอยบาก ค่าความต้านทานของ R1 คำนวณโดย (4) ค่าของ R2 คูณ (5) และค่าของ R3 คูณ (6) ตัวประกอบคุณภาพของวงจร Q ถูกตั้งค่าเป็น 8 เพราะนั่นทำให้เกิดข้อผิดพลาดที่สมเหตุสมผลในขณะที่มีความแม่นยำสมจริง ค่า Q สามารถคำนวณได้โดย (7) สมการควบคุมสุดท้ายของตัวกรองรอยบากใช้สำหรับคำนวณแบนด์วิดท์ และอธิบายโดย (8) นอกจากปัจจัยด้านคุณภาพของ 8 แล้ว ตัวกรองรอยบากยังมีข้อกำหนดการออกแบบอื่นๆ ตัวกรองนี้ได้รับการออกแบบให้มีอัตราขยาย 1 เพื่อไม่ให้เปลี่ยนสัญญาณ ในขณะที่เอาสัญญาณ 60 Hz ออก

ตามสมการเหล่านั้น R1 = 11.0524 kΩ, R2 = 2.829 MΩ, R3 = 11.009 kΩ และ C1 = 15 nF

ขั้นตอนที่ 3: ออกแบบและสร้างตัวกรอง Butterworth Low-Pass ลำดับที่ 2

ขั้นตอนสุดท้ายคือตัวกรองความถี่ต่ำผ่านเพื่อลบสัญญาณทั้งหมดที่อาจเกิดขึ้นเหนือองค์ประกอบความถี่สูงสุดของคลื่น ECG เช่น สัญญาณรบกวน WiFi และสัญญาณแวดล้อมอื่นๆ ที่อาจเบี่ยงเบนความสนใจจากสัญญาณที่สนใจ จุด -3dB สำหรับขั้นตอนนี้ควรอยู่ที่ประมาณหรือใกล้ 150 Hz เนื่องจากช่วงมาตรฐานของสัญญาณมีอยู่ในช่วงคลื่น ECG ตั้งแต่ 0.05 Hz ถึง 150 Hz

เมื่อออกแบบตัวกรอง Butterworth ลำดับที่สองแบบ low-pass วงจรจะถูกตั้งค่าอีกครั้งเพื่อให้ได้รับ 1 ซึ่งทำให้การออกแบบวงจรง่ายขึ้น ก่อนทำการคำนวณใดๆ เพิ่มเติม สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าความถี่ตัดที่ต้องการของตัวกรองความถี่ต่ำถูกตั้งไว้ที่ 150 Hz เป็นการง่ายที่สุดที่จะเริ่มต้นด้วยการคำนวณค่าของตัวเก็บประจุ 2, C2 เนื่องจากสมการอื่นขึ้นอยู่กับค่านี้ C2 สามารถคำนวณได้โดย (9) จากการคำนวณ C2, C1 สามารถคำนวณได้โดย (10) ในกรณีของตัวกรองความถี่ต่ำนี้ ค่าสัมประสิทธิ์ a และ b ถูกกำหนดโดยที่ a = 1.414214 และ b = 1 ค่าความต้านทานของ R1 คำนวณโดย (11) และค่าความต้านทานของ R2 คำนวณโดย (12).

ใช้ค่าต่อไปนี้:

R1 = 13.842kΩ

R2 = 54.36kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

ขั้นตอนที่ 4: ตั้งค่าโปรแกรม LabVIEW ที่ใช้สำหรับการได้มาซึ่งและวิเคราะห์ข้อมูล

ถัดไป สามารถใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์ LabView เพื่อสร้างงานที่จะสร้างการแสดงภาพการเต้นของหัวใจจากสัญญาณ ECG และคำนวณอัตราการเต้นของหัวใจจากสัญญาณเดียวกัน โปรแกรม LabView ทำได้โดยยอมรับอินพุตแบบอะนาล็อกจากบอร์ด DAQ ก่อน ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลด้วย จากนั้นสัญญาณดิจิทัลนี้จะถูกวิเคราะห์และวางแผนเพิ่มเติม โดยพล็อตจะแสดงการแสดงภาพกราฟิกของสัญญาณที่ป้อนเข้าสู่บอร์ด DAQ รูปคลื่นของสัญญาณได้รับการวิเคราะห์โดยใช้ค่าสูงสุดของสัญญาณดิจิทัลที่ยอมรับถึง 80% จากนั้นจึงใช้ฟังก์ชันตัวตรวจจับพีคเพื่อตรวจจับพีคของสัญญาณเหล่านี้ พร้อมกัน โปรแกรมใช้รูปคลื่นและคำนวณความแตกต่างของเวลาระหว่างพีคของรูปคลื่น การตรวจจับพีคร่วมกับค่า 1 หรือ 0 ที่มาพร้อมกัน โดยที่ 1 แทนค่าพีคเพื่อสร้างดัชนีของตำแหน่งพีค จากนั้นดัชนีนี้จะใช้ร่วมกับความแตกต่างของเวลาระหว่างพีคกับการคำนวณทางคณิตศาสตร์ของอัตราการเต้นของหัวใจใน จังหวะต่อนาที (BPM) แสดงบล็อกไดอะแกรมที่ใช้ในโปรแกรม LabView

ขั้นตอนที่ 5: การประกอบแบบเต็ม

เมื่อคุณสร้างวงจรและโปรแกรม LabVIEW ทั้งหมดแล้ว และแน่ใจว่าทุกอย่างทำงานอย่างถูกต้อง คุณก็พร้อมที่จะบันทึกสัญญาณ ECG ภาพเป็นแผนผังที่เป็นไปได้ของการประกอบระบบวงจรเต็มรูปแบบ

เชื่อมต่ออิเล็กโทรดบวกกับข้อมือขวาของคุณและหนึ่งในอินพุตแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดแบบวงกลม และขั้วลบกับข้อมือซ้ายของคุณและอินพุตแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดอื่นๆ ตามภาพ ลำดับของอินพุตอิเล็กโทรดไม่สำคัญ สุดท้าย วางอิเล็กโทรดกราวด์บนข้อเท้าของคุณ และเชื่อมต่อกับกราวด์ในวงจรของคุณ ยินดีด้วย คุณได้ทำทุกขั้นตอนที่จำเป็นในการบันทึกและสัญญาณ ECG เรียบร้อยแล้ว