ECG อย่างง่ายและเครื่องตรวจจับอัตราการเต้นของหัวใจ: 10 ขั้นตอน

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

ข้อสังเกต: นี่ไม่ใช่อุปกรณ์ทางการแพทย์ นี่เป็นเพื่อการศึกษาโดยใช้สัญญาณจำลองเท่านั้น หากใช้วงจรนี้สำหรับการวัด ECG จริง โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรและการเชื่อมต่อระหว่างวงจรกับเครื่องมือใช้เทคนิคการแยกที่เหมาะสม

วันนี้ เราจะพูดถึงการออกแบบวงจรคลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG) ขั้นพื้นฐาน และสร้างวงจรเพื่อขยายและกรองสัญญาณไฟฟ้าของหัวใจ จากนั้น เราสามารถวัดอัตราการเต้นของหัวใจโดยใช้ซอฟต์แวร์ labVIEW ตลอดกระบวนการ ฉันจะให้คำแนะนำโดยละเอียดเกี่ยวกับองค์ประกอบของการออกแบบวงจรและสาเหตุที่เกิดขึ้น ตลอดจนภูมิหลังทางชีววิทยาเล็กน้อย ชื่อภาพเป็นสัญญาณไฟฟ้าหัวใจของฉัน ในตอนท้ายของคำแนะนำนี้ คุณจะสามารถวัดค่าของคุณได้เช่นกัน มาเริ่มกันเลย!

ECG เป็นเครื่องมือวินิจฉัยที่มีประโยชน์สำหรับผู้เชี่ยวชาญทางการแพทย์ สามารถใช้เพื่อวินิจฉัยภาวะหัวใจต่างๆ ได้ ตั้งแต่อาการหัวใจวายขั้นพื้นฐาน (กล้ามเนื้อหัวใจตาย) ไปจนถึงความผิดปกติของหัวใจขั้นสูง เช่น ภาวะหัวใจห้องบน (atrial fibrillation) ซึ่งคนส่วนใหญ่อาจเสียชีวิตไปโดยไม่ได้สังเกต ทุกๆ การเต้นของหัวใจ ระบบประสาทอัตโนมัติของคุณกำลังทำงานอย่างหนักเพื่อให้หัวใจของคุณเต้น มันส่งสัญญาณไฟฟ้าไปยังหัวใจ ซึ่งเดินทางจากโหนด SA ไปยังโหนด AV จากนั้นไปยังโพรงสมองด้านซ้ายและขวาพร้อมกัน และสุดท้ายจากเยื่อบุหัวใจไปยังเส้นใยของหัวใจและเส้นใย purkinje ซึ่งเป็นแนวป้องกันสุดท้ายของหัวใจ วงจรทางชีววิทยาที่ซับซ้อนนี้สามารถมีปัญหาได้ทุกที่ และสามารถใช้ ECG เพื่อวินิจฉัยปัญหาเหล่านี้ได้ ฉันสามารถพูดชีววิทยาได้ทั้งวัน แต่มีหนังสือเกี่ยวกับหัวข้อนี้อยู่แล้ว ลองอ่าน "การวินิจฉัยคลื่นไฟฟ้าหัวใจในการปฏิบัติทางคลินิก" โดย Nicholas Peters, Michael Gatzoulis และ Romeo Vecht หนังสือเล่มนี้อ่านง่ายมาก และแสดงให้เห็นถึงประโยชน์อันน่าทึ่งของ ECG

ในการสร้าง ECG คุณจะต้องมีส่วนประกอบต่อไปนี้หรือการทดแทนที่ยอมรับได้

• สำหรับการออกแบบวงจร:

  • เขียงหั่นขนม
  • OP แอมป์ x 5
  • ตัวต้านทาน
  • ตัวเก็บประจุ
  • สายไฟ
  • คลิปจระเข้หรือวิธีการกระตุ้นและการวัดอื่น ๆ
  • สาย BNC
  • เครื่องกำเนิดฟังก์ชัน
  • ออสซิลโลสโคป
  • แหล่งจ่ายไฟ DC หรือแบตเตอรี่หากคุณสะดวก

• สำหรับการตรวจจับอัตราการเต้นของหัวใจ:

  • LabView
  • คณะกรรมการ DAQ

• สำหรับการวัดสัญญาณชีวภาพ*

  • อิเล็กโทรด
  • คลิปจระเข้หรือสายอิเล็กโทรด

*ฉันเขียนคำเตือนไว้ด้านบน และฉันจะพูดถึงอันตรายของส่วนประกอบทางไฟฟ้าต่อร่างกายมนุษย์อีกเล็กน้อย อย่าเชื่อมต่อ ECG นี้กับตัวเองเว้นแต่คุณจะแน่ใจว่าคุณใช้เทคนิคการแยกที่เหมาะสม การเชื่อมต่ออุปกรณ์ที่ใช้พลังงานหลัก เช่น อุปกรณ์จ่ายไฟ ออสซิลโลสโคป และคอมพิวเตอร์เข้ากับวงจรโดยตรง อาจทำให้กระแสไฟขนาดใหญ่ไหลผ่านวงจรในกรณีที่ไฟกระชาก โปรดแยกวงจรออกจากแหล่งจ่ายไฟหลักโดยใช้พลังงานแบตเตอรี่และเทคนิคการแยกอื่นๆ

ต่อไป' ฉันจะพูดถึงส่วนที่สนุก องค์ประกอบการออกแบบวงจร!

ขั้นตอนที่ 1: ข้อมูลจำเพาะการออกแบบวงจร

ตอนนี้ฉันจะพูดถึงการออกแบบวงจร ฉันจะไม่พูดถึงแผนผังวงจรเนื่องจากจะได้รับหลังจากส่วนนี้ ส่วนนี้มีไว้สำหรับผู้ที่ต้องการทำความเข้าใจว่าทำไมเราถึงเลือกส่วนประกอบที่เราทำ

ภาพด้านบนนี้ นำมาจากคู่มือห้องปฏิบัติการของฉันที่มหาวิทยาลัย Purdue ให้ข้อมูลเกือบทุกอย่างที่เราต้องรู้เพื่อออกแบบวงจร ECG พื้นฐาน นี่คือองค์ประกอบความถี่ของสัญญาณ ECG ที่ไม่มีการกรอง โดยมี "แอมพลิจูด" ทั่วไป (แกน y) อ้างอิงถึงตัวเลขไร้มิติเพื่อวัตถุประสงค์ในการเปรียบเทียบ ตอนนี้มาพูดคุยออกแบบกันเถอะ!

A. เครื่องมือวัดเครื่องขยายเสียง

แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดจะเป็นสเตจแรกในวงจร เครื่องมืออเนกประสงค์นี้บัฟเฟอร์สัญญาณ ลดสัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไป และขยายสัญญาณ

เรากำลังรับสัญญาณจากร่างกายมนุษย์ วงจรบางวงจรช่วยให้คุณใช้แหล่งการวัดเป็นแหล่งจ่ายไฟได้ เนื่องจากมีประจุไฟฟ้าเพียงพอและไม่มีความเสี่ยงที่จะเกิดความเสียหาย อย่างไรก็ตาม เราไม่ต้องการทำร้ายมนุษย์ ดังนั้นเราต้องบัฟเฟอร์สัญญาณที่เราสนใจในการวัด แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดช่วยให้คุณสามารถบัฟเฟอร์สัญญาณชีวภาพได้ เนื่องจาก Op Amp-Inputs มีความต้านทานไม่สิ้นสุดตามทฤษฎี (กรณีนี้ไม่ใช่ในทางปฏิบัติ แต่โดยปกติอิมพีแดนซ์จะสูงเพียงพอ) ซึ่งหมายความว่าไม่มีกระแส (ตามทฤษฎี) ไหลเข้าสู่อินพุต ขั้ว

ร่างกายมนุษย์มีเสียง สัญญาณจากกล้ามเนื้อสามารถทำให้เกิดเสียงนี้ในสัญญาณ ECG เพื่อลดสัญญาณรบกวนนี้ เราสามารถใช้แอมพลิฟายเออร์ส่วนต่างเพื่อลดสัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไป โดยพื้นฐานแล้ว เราต้องการลบเสียงรบกวนที่มีอยู่ในกล้ามเนื้อปลายแขนของคุณที่ตำแหน่งอิเล็กโทรดสองตำแหน่ง แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดรวมถึงแอมพลิฟายเออร์ความแตกต่าง

สัญญาณในร่างกายมนุษย์มีขนาดเล็ก เราจำเป็นต้องขยายสัญญาณเหล่านี้เพื่อให้สามารถวัดได้ด้วยความละเอียดที่เหมาะสมโดยใช้อุปกรณ์วัดทางไฟฟ้า แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดให้อัตราขยายที่จำเป็นในการทำเช่นนี้ ดูลิงก์ที่แนบมาสำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด

www.electronics-tutorial.net/amplifier/instrumentation-amplifier/index.html

B. ตัวกรองรอย

สายไฟในสหรัฐอเมริกาสร้าง "เสียงหลัก" หรือ "สัญญาณรบกวนของสายไฟ" ที่ 60 เฮิรตซ์พอดี ในประเทศอื่น ๆ สิ่งนี้เกิดขึ้นที่ 50 Hz เราสามารถเห็นสัญญาณรบกวนนี้ได้โดยดูที่ภาพด้านบน เนื่องจากสัญญาณ ECG ของเรายังอยู่ในช่วงที่น่าสนใจ เราจึงต้องการลบสัญญาณรบกวนนี้ ในการลบเสียงรบกวนนี้ คุณสามารถใช้ตัวกรองรอยบาก ซึ่งช่วยลดเกนที่ความถี่ภายในรอยบาก บางคนอาจไม่สนใจความถี่ที่สูงขึ้นในสเปกตรัม ECG และอาจเลือกที่จะสร้างตัวกรองความถี่ต่ำที่มีคัทออฟต่ำกว่า 60 Hz อย่างไรก็ตาม เราต้องการทำผิดพลาดในด้านที่ปลอดภัยและรับสัญญาณให้ได้มากที่สุด ดังนั้นจึงเลือกตัวกรองรอยบากและตัวกรองความถี่ต่ำที่มีความถี่ตัดที่สูงกว่าแทน

ดูลิงก์ที่แนบมาสำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับตัวกรองรอยบาก

www.electronics-tutorials.ws/filter/band-st…

C. ตัวกรองความถี่ต่ำ Butterworth VCVS อันดับสอง

องค์ประกอบความถี่ของสัญญาณ ECG นั้นขยายออกไปเท่านั้น เราต้องการกำจัดสัญญาณที่ความถี่สูง เนื่องจากสัญญาณรบกวนเป็นเพียงสัญญาณรบกวนสำหรับจุดประสงค์ของเรา สัญญาณจากโทรศัพท์มือถือ อุปกรณ์บลูทูธ หรือแล็ปท็อปมีอยู่ทั่วไป และสัญญาณเหล่านี้จะทำให้เกิดสัญญาณรบกวนที่ยอมรับไม่ได้ในสัญญาณ ECG สามารถกำจัดได้ด้วยตัวกรอง Butterworth Low-Pass ความถี่คัทออฟที่เราเลือกคือ 220 Hz ซึ่งเมื่อมองย้อนกลับไปแล้ว ค่อนข้างสูง ถ้าฉันจะสร้างวงจรนี้อีกครั้ง ฉันจะเลือกความถี่ตัดที่ต่ำกว่านั้นมาก และอาจถึงขั้นทดลองด้วยความถี่ตัดที่ต่ำกว่า 60 Hz และใช้ตัวกรองลำดับที่สูงกว่าแทน!

ตัวกรองนี้เป็นลำดับที่สอง ซึ่งหมายความว่า "ลดลง" ในอัตรา 40 db/decade แทนที่จะเป็น 20 db/decade เช่นเดียวกับตัวกรองลำดับแรก การหมุนที่ชันขึ้นนี้ช่วยลดสัญญาณความถี่สูงได้มากขึ้น

ตัวกรอง Butterworth ได้รับเลือกเนื่องจากเป็น "แบนสูงสุด" ในแถบผ่าน หมายความว่าไม่มีการบิดเบือนภายในแถบส่ง หากคุณสนใจ ลิงก์นี้มีข้อมูลที่ยอดเยี่ยมสำหรับการออกแบบตัวกรองลำดับที่สองขั้นพื้นฐาน:

www.electronics-tutorials.ws/filter/second-…

เมื่อเราพูดถึงการออกแบบวงจรแล้ว เราก็เริ่มการก่อสร้างได้

ขั้นตอนที่ 2: สร้างเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือ

วงจรนี้จะบัฟเฟอร์อินพุต ลบสัญญาณรบกวนของโหมดทั่วไป และขยายสัญญาณที่อัตราขยาย 100 แผนภาพวงจรและสมการการออกแบบประกอบแสดงไว้ด้านบน สร้างขึ้นโดยใช้ตัวออกแบบ OrCAD Pspice และจำลองโดยใช้ Pspice แผนผังออกมาพร่ามัวเล็กน้อยเมื่อคัดลอกจาก OrCAD ดังนั้นฉันจึงขออภัยในเรื่องนี้ ฉันได้แก้ไขภาพเพื่อให้ค่าตัวต้านทานบางค่าชัดเจนขึ้นเล็กน้อย

โปรดจำไว้ว่าเมื่อสร้างวงจร ควรเลือกค่าความต้านทานและความจุที่เหมาะสม โดยคำนึงถึงอิมพีแดนซ์เชิงปฏิบัติของแหล่งจ่ายแรงดัน อิมพีแดนซ์เชิงปฏิบัติของอุปกรณ์วัดแรงดันไฟฟ้า และขนาดทางกายภาพของตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ

สมการการออกแบบแสดงไว้ด้านบน เริ่มแรก เราต้องการเกนของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดเป็น x1000 และเราได้สร้างวงจรนี้ขึ้นเพื่อให้เราสามารถขยายสัญญาณจำลองได้ อย่างไรก็ตาม เมื่อติดเข้ากับร่างกาย เราต้องการลดเกนเป็น 100 เพื่อความปลอดภัย เนื่องจากเขียงหั่นขนมไม่ใช่อินเทอร์เฟซวงจรที่เสถียรที่สุด ทำได้โดยตัวต้านทานแบบเปลี่ยนความร้อน 4 เพื่อลดค่าตัวคูณของสิบ ตามหลักการแล้ว ค่าเกนของคุณในแต่ละสเตจของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดจะเท่าเดิม แต่เกนของเรากลายเป็น 31.6 สำหรับสเตจ 1 และ 3.16 สำหรับสเตจ 2 ทำให้ได้ 100 ฉันได้แนบแผนผังวงจรเพื่อให้ได้กำไร 100 แทนที่จะเป็น 1,000 คุณจะยังคงเห็นสัญญาณจำลองและสัญญาณชีวภาพได้อย่างสมบูรณ์แบบด้วยอัตราขยายนี้ แต่อาจไม่เหมาะสำหรับส่วนประกอบดิจิทัลที่มีความละเอียดต่ำ

หมายเหตุ ในแผนผังวงจร ฉันมีคำว่า "อินพุตกราวด์" และ "อินพุตบวก" วาดด้วยข้อความสีส้ม ฉันวางอินพุตฟังก์ชันโดยไม่ได้ตั้งใจในตำแหน่งที่ควรจะเป็นกราวด์ กรุณาใส่กราวด์ที่มีการบันทึก "การป้อนข้อมูลภาคพื้นดิน" และระบุฟังก์ชันที่ "การป้อนข้อมูลที่เป็นบวก"

• สรุป

  • ระยะที่ 1 ได้รับ - 31.6
  • ระยะที่ 2 ได้รับ - 3.16 ด้วยเหตุผลด้านความปลอดภัย

ขั้นตอนที่ 3: สร้าง Notch Filter

ตัวกรองรอยบากนี้ขจัดเสียงรบกวน 60 Hz จากสายไฟของสหรัฐฯ เนื่องจากเราต้องการให้ตัวกรองนี้บากที่ 60 Hz อย่างแม่นยำ การใช้ค่าความต้านทานที่ถูกต้องจึงเป็นสิ่งสำคัญ

สมการการออกแบบแสดงไว้ด้านบน ใช้ปัจจัยด้านคุณภาพเท่ากับ 8 ซึ่งส่งผลให้ยอดชันขึ้นที่ความถี่ในการลดทอน ใช้ความถี่กลาง (f0) ที่ 60 Hz โดยมีแบนด์วิดท์ (เบต้า) ที่ 2 rad/s เพื่อให้การลดทอนที่ความถี่เบี่ยงเบนไปจากความถี่กลางเล็กน้อย จำได้ว่าตัวอักษรกรีกโอเมก้า (w) อยู่ในหน่วยของ rad/s ในการแปลงจาก Hz เป็น rad/s เราต้องคูณความถี่ศูนย์กลาง 60 Hz ด้วย 2*pi เบต้ายังวัดเป็น rad/s

• ค่าสำหรับสมการการออกแบบ

  • w0 = 376.99 rad/s
  • เบต้า (B) = 2 rad/s
  • Q = 8
• จากที่นี่ ค่าความต้านทานและความจุที่เหมาะสมได้รับเลือกเพื่อสร้างวงจร

ขั้นตอนที่ 4: สร้าง Low-Pass Filter

ตัวกรองสัญญาณความถี่ต่ำใช้เพื่อขจัดความถี่สูงที่เราไม่สนใจในการวัด เช่น สัญญาณโทรศัพท์มือถือ การสื่อสารผ่านบลูทูธ และสัญญาณรบกวนจาก WiFi ตัวกรอง VCVS Butterworth ลำดับที่สองที่แอ็คทีฟให้สัญญาณที่ราบเรียบสูงสุด (สะอาด) ในบริเวณย่านความถี่ผ่านโดยมีค่า Roll off -40 db/decade ในบริเวณการลดทอน

สมการการออกแบบแสดงไว้ด้านบน สมการเหล่านี้ค่อนข้างยาว ดังนั้นอย่าลืมตรวจสอบคณิตศาสตร์ของคุณ! โปรดทราบว่าค่า b และ a ถูกเลือกอย่างระมัดระวังเพื่อให้สัญญาณแบนในบริเวณเสียงเบสและการลดทอนที่สม่ำเสมอในบริเวณม้วนออก สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับที่มาของค่าเหล่านี้ โปรดดูที่ลิงก์ในขั้นตอนที่ 2 ส่วน C "low pass filter"

ข้อมูลจำเพาะสำหรับ C1 ค่อนข้างคลุมเครือ เนื่องจากน้อยกว่าค่าที่อิงจาก C2 ฉันคำนวณให้น้อยกว่าหรือเท่ากับ 22 nF ดังนั้นฉันจึงเลือก 10 nF วงจรทำงานได้ดี และจุด -3 db นั้นใกล้เคียงกับ 220 Hz มาก ดังนั้นฉันจะไม่กังวลเรื่องนี้มากเกินไป เรียกคืนความถี่เชิงมุม (wc) อีกครั้งใน rad/s เท่ากับความถี่ตัดใน Hz (fc) * 2pi

• ข้อจำกัดในการออกแบบ

  • K (กำไร) = 1
  • ข = 1
  • a = 1.4142
  • ตัดความถี่ - 220 Hz

ความถี่ตัดที่ 220 Hz ดูเหมือนจะสูงเล็กน้อย ถ้าฉันทำเช่นนี้อีกครั้ง ฉันน่าจะทำให้มันใกล้ 100 เฮิรตซ์ หรือแม้แต่ยุ่งกับลำดับความถี่ต่ำที่สูงกว่าด้วยคัทออฟ 50 เฮิรตซ์ ฉันแนะนำให้คุณลองใช้ค่าและแผนงานที่แตกต่างกัน!

ขั้นตอนที่ 5: เชื่อมต่อ Instrumentation Amplifier, Notch Filter และ Low Pass Filter

ตอนนี้ เพียงเชื่อมต่อเอาท์พุตของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดเข้ากับอินพุตของตัวกรองรอยบาก จากนั้นเชื่อมต่อเอาต์พุตของตัวกรองรอยบากกับอินพุตของตัวกรองความถี่ต่ำ

ฉันยังเพิ่มตัวเก็บประจุบายพาสจากแหล่งจ่ายไฟ DC ไปยังกราวด์เพื่อขจัดเสียงรบกวน ตัวเก็บประจุเหล่านี้ควรเป็นค่าเดียวกันสำหรับ Op-Amp แต่ละตัวและอย่างน้อย 0.1 uF แต่นอกเหนือจากนั้น คุณสามารถใช้ค่าที่เหมาะสมใดก็ได้

ฉันพยายามใช้วงจรเล็กๆ เพื่อ "ปรับ" สัญญาณรบกวนให้ "ราบรื่น" แต่ก็ใช้งานไม่ได้ตามที่ตั้งใจไว้ และมีเวลาเหลือน้อย ฉันจึงล้มเลิกแนวคิดนี้และใช้การประมวลผลแบบดิจิทัลแทน นี่อาจเป็นขั้นตอนพิเศษที่ยอดเยี่ยมหากคุณอยากรู้!

ขั้นตอนที่ 6: เพิ่มพลังให้วงจร ป้อนรูปคลื่น และวัด

คำแนะนำในการจ่ายไฟให้กับวงจรและการวัด เนื่องจากอุปกรณ์ของแต่ละคนต่างกัน ฉันจึงไม่มีทางรู้วิธีป้อนข้อมูลและวัดผลได้ง่ายๆ ฉันได้ให้คำแนะนำพื้นฐานที่นี่ อ้างถึงไดอะแกรมก่อนหน้าสำหรับตัวอย่างการตั้งค่า

1. เชื่อมต่อเครื่องกำเนิดฟังก์ชันกับเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด

   • คลิปบวกไปยัง Op-Amp ที่ต่ำกว่าในไดอะแกรมเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือ
   • คลิปลบกับพื้น
   • ย่ออินพุตของ Op-Amp ตัวบนในไดอะแกรมแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดไปที่กราวด์ นี่จะเป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับสัญญาณขาเข้า (ในสัญญาณชีวภาพ อินพุตนี้จะเป็นอิเล็กโทรดที่มีจุดประสงค์เพื่อลดสัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไป)

2. เชื่อมต่อคลิปบวกของออสซิลโลสโคปกับเอาต์พุตในขั้นตอนสุดท้าย (เอาต์พุตของตัวกรองความถี่ต่ำ)

   • คลิปบวกเพื่อเอาท์พุตในขั้นตอนสุดท้าย
   • คลิปลบกับพื้น
3. เชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟ DC ของคุณเข้ากับราง ตรวจสอบให้แน่ใจว่าอินพุตไฟ Op-Amp แต่ละอันสั้นไปยังรางที่ตรงกัน

4. ต่อกราวด์กราวด์ของแหล่งจ่ายไฟ DC ของคุณเข้ากับรางด้านล่างที่เหลือ เพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับสัญญาณของคุณ

   ลัดวงจรกราวด์รางด้านล่างถึงกราวด์รางบนซึ่งจะช่วยให้คุณทำความสะอาดวงจรได้

เริ่มป้อนคลื่นและใช้ออสซิลโลสโคปเพื่อวัด! หากวงจรของคุณทำงานตามที่ตั้งใจไว้ คุณควรเห็นอัตราขยายเป็น 100 ซึ่งหมายความว่าแรงดันไฟสูงสุดถึงแรงดันสูงสุดควรเป็น 2V สำหรับสัญญาณ 20 mV หากคุณเป็นเครื่องกำเนิดฟังก์ชันเป็นรูปคลื่นของหัวใจ ลองป้อนข้อมูลนั้นดู

ยุ่งกับความถี่และอินพุตเพื่อให้แน่ใจว่าตัวกรองของคุณทำงานอย่างถูกต้อง ลองทดสอบแต่ละขั้นตอนทีละส่วน แล้วทดสอบวงจรโดยรวม ฉันได้แนบตัวอย่างการทดลองซึ่งฉันวิเคราะห์ฟังก์ชันของตัวกรองรอยบาก ฉันสังเกตเห็นการลดทอนที่เพียงพอจาก 59.5 Hz ถึง 60.5 Hz แต่ฉันอยากจะให้มีการลดทอนอีกเล็กน้อยที่จุด 59.5 และ 60.5 Hz อย่างไรก็ตาม เวลาเป็นสิ่งสำคัญ ดังนั้นฉันจึงเดินหน้าต่อไปและคิดว่าจะกำจัดเสียงรบกวนแบบดิจิทัลได้ในภายหลัง ต่อไปนี้คือคำถามบางข้อที่คุณต้องการพิจารณาสำหรับวงจรของคุณ:

• เป็นกำไร 100?
• ตรวจสอบอัตราขยายที่ 220 Hz -3 db หรือใกล้เคียง?
• ตรวจสอบการลดทอนที่ 60 Hz สูงพอไหม? มันยังคงให้การลดทอนบางส่วนที่ 60.5 และ 59.5 Hz หรือไม่
• ตัวกรองของคุณหมุนออกจาก 220 Hz ได้เร็วแค่ไหน? -40 เดซิเบล/ทศวรรษ?
• มีกระแสใดเข้าสู่อินพุตอย่างใดอย่างหนึ่งหรือไม่? หากเป็นเช่นนั้น วงจรนี้ไม่เหมาะสำหรับการตรวจวัดโดยมนุษย์ และมีบางอย่างผิดปกติกับการออกแบบหรือส่วนประกอบของคุณ

หากวงจรของคุณทำงานได้ตามที่ตั้งใจไว้ คุณก็พร้อมที่จะไปต่อ! ถ้าไม่ คุณมีการแก้ไขปัญหาบางอย่างที่ต้องทำ ตรวจสอบเอาต์พุตของแต่ละขั้นตอนแยกกัน ตรวจสอบให้แน่ใจว่า Op-Amps ของคุณได้รับพลังงานและทำงานได้ ตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าที่แต่ละโหนดจนกว่าคุณจะพบปัญหาเกี่ยวกับวงจร

ขั้นตอนที่ 7: การวัดอัตราการเต้นของหัวใจ LabVIEW

LabVIEW จะช่วยให้เราสามารถวัดอัตราการเต้นของหัวใจโดยใช้ไดอะแกรมบล็อกลอจิก หากมีเวลามากกว่านี้ ฉันอยากจะแปลงข้อมูลให้เป็นดิจิทัลด้วยตนเอง และสร้างโค้ดที่จะกำหนดอัตราการเต้นของหัวใจ เนื่องจากไม่ต้องใช้คอมพิวเตอร์ที่ติดตั้ง labVIEW และบอร์ด DAQ ที่แข็งแรง นอกจากนี้ ค่าตัวเลขใน labVIEW ไม่ได้มาโดยสัญชาตญาณ อย่างไรก็ตาม การเรียนรู้ labVIEW เป็นประสบการณ์ที่มีค่า เนื่องจากการใช้ตรรกะไดอะแกรมบล็อกนั้นง่ายกว่าการฮาร์ดโค้ดตรรกะของคุณเอง

ไม่มีอะไรจะพูดมากสำหรับส่วนนี้ เชื่อมต่อเอาท์พุตของวงจรของคุณเข้ากับบอร์ด DAQ และเชื่อมต่อบอร์ด DAQ เข้ากับคอมพิวเตอร์ สร้างวงจรที่แสดงในภาพต่อไปนี้ กด "วิ่ง" แล้วเริ่มเก็บข้อมูล! ตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรของคุณได้รับรูปคลื่น

การตั้งค่าที่สำคัญบางประการในที่นี้คือ:

• อัตราการสุ่มตัวอย่าง 500 Hz และขนาดหน้าต่าง 2500 หน่วย หมายความว่า เรากำลังเก็บข้อมูลมูลค่า 5 วินาทีภายในหน้าต่าง นี่น่าจะเพียงพอแล้วที่จะเห็นหัวใจเต้น 4-5 จังหวะขณะพัก และอีกมากระหว่างออกกำลังกาย
• จุดสูงสุดที่ตรวจพบที่ 0.9 ก็เพียงพอที่จะตรวจจับอัตราการเต้นของหัวใจ แม้ว่าสิ่งนี้จะดูเหมือนเป็นการตรวจสอบแบบกราฟิก แต่จริงๆ แล้วต้องใช้เวลาพอสมควรกว่าจะได้ค่านี้มา คุณควรยุ่งกับสิ่งนี้จนกว่าคุณจะคำนวณการเต้นของหัวใจได้อย่างแม่นยำ
• ความกว้าง "5" ดูเหมือนจะเพียงพอแล้ว อีกครั้ง ค่านี้ได้รับการแก้ไขและดูเหมือนจะไม่สมเหตุสมผล
• อินพุตตัวเลขเพื่อคำนวณอัตราการเต้นของหัวใจใช้ค่า 60 ทุกครั้งที่มีการระบุการเต้นของหัวใจ มันจะผ่านวงจรระดับล่างและคืนค่า 1 ทุกครั้งที่หัวใจเต้น หากเราหารตัวเลขนี้ด้วย 60 แสดงว่าเรากำลังพูดว่า "หาร 60 ด้วยจำนวนจังหวะที่คำนวณในหน้าต่าง" นี่จะคืนค่าอัตราการเต้นของหัวใจของคุณเป็นครั้ง/นาที

รูปภาพที่แนบมาเป็นภาพการเต้นของหัวใจของฉันใน labVIEW มันกำหนดว่าหัวใจของฉันเต้นที่ 82 BPM ฉันตื่นเต้นมากที่วงจรนี้ใช้งานได้ในที่สุด!

ขั้นตอนที่ 8: การวัดของมนุษย์

หากคุณได้พิสูจน์ตัวเองแล้วว่าวงจรของคุณปลอดภัยและใช้งานได้จริง คุณก็สามารถวัดการเต้นของหัวใจของคุณเองได้ ใช้อิเล็กโทรดการวัดของ 3M วางไว้ในตำแหน่งต่อไปนี้และเชื่อมต่อกับวงจร สายคาดข้อมือจะอยู่ด้านในของข้อมือ โดยเฉพาะบริเวณที่มีขนเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย กราวด์อิเล็กโทรดไปที่ส่วนกระดูกของข้อเท้าของคุณ ใช้คลิปจระเข้ เชื่อมต่อตะกั่วบวกกับอินพุตบวก ตะกั่วลบไปยังอินพุตเชิงลบ และอิเล็กโทรดกราวด์กับรางกราวด์ (ให้ความสนใจอย่างใกล้ชิดว่าไม่ใช่รางพลังงานเชิงลบ).

หมายเหตุการทำซ้ำครั้งสุดท้าย: "นี่ไม่ใช่อุปกรณ์ทางการแพทย์ นี่เป็นเพื่อการศึกษาโดยใช้สัญญาณจำลองเท่านั้น หากใช้วงจรนี้สำหรับการวัด ECG จริง โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรและการเชื่อมต่อระหว่างวงจรกับเครื่องมือใช้เทคนิคการแยกที่เหมาะสม คุณยอมรับความเสี่ยงของความเสียหายใด ๆ ที่เกิดขึ้น"

ตรวจสอบให้แน่ใจว่าออสซิลโลสโคปของคุณเชื่อมต่ออย่างถูกต้อง ตรวจสอบให้แน่ใจว่าไม่มีกระแสไหลเข้าสู่ op amp และต่อสายดินกับกราวด์ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าขนาดหน้าต่างออสซิลโลสโคปของคุณถูกต้อง ฉันสังเกต QRS complex ประมาณ 60 mV และใช้หน้าต่าง 5s ติดคลิปปากจระเข้เข้ากับขั้วไฟฟ้าขั้วบวก ขั้วลบ และขั้วกราวด์ตามลำดับ คุณควรเริ่มเห็นรูปคลื่น ECG หลังจากผ่านไปสองสามวินาที ผ่อนคลาย; อย่าเคลื่อนไหวใด ๆ เนื่องจากตัวกรองยังสามารถรับสัญญาณของกล้ามเนื้อได้

ด้วยการตั้งค่าวงจรที่เหมาะสม คุณควรเห็นผลลัพธ์ดังกล่าวในขั้นตอนที่แล้ว! นี่คือสัญญาณ ECG ของคุณเอง ต่อไปฉันจะพูดถึงการประมวลผล

หมายเหตุ: คุณจะเห็นการตั้งค่า ECG แบบ 3 อิเล็กโทรดแบบต่างๆ ทางออนไลน์ สิ่งเหล่านี้ก็ใช้ได้เช่นกัน แต่อาจให้รูปคลื่นกลับด้านด้วยวิธีการตั้งค่าดิฟเฟอเรนเชียลแอมพลิฟายเออร์ในวงจรนี้ การกำหนดค่าอิเล็กโทรดนี้ให้รูปคลื่นเชิงซ้อน QRS บวกแบบดั้งเดิม

ขั้นตอนที่ 9: การประมวลผลสัญญาณ

ดังนั้นคุณจึงเชื่อมต่อกับออสซิลโลสโคปและคุณสามารถเห็น QRS คอมเพล็กซ์ แต่สัญญาณยังดูมีเสียงดัง น่าจะเป็นเหมือนภาพแรกในส่วนนี้ นี่เป็นปกติ. เรากำลังใช้วงจรบนเขียงหั่นขนมแบบเปิด โดยมีส่วนประกอบทางไฟฟ้าจำนวนหนึ่งซึ่งโดยทั่วไปทำหน้าที่เป็นเสาอากาศขนาดเล็ก แหล่งจ่ายไฟ DC มีเสียงดัง และไม่มีการป้องกัน RF แน่นอนสัญญาณจะดัง ฉันลองใช้วงจรการติดตามซองจดหมายสั้น ๆ แต่หมดเวลาแล้ว มันง่ายที่จะทำสิ่งนี้แบบดิจิทัล! แค่หาค่าเฉลี่ยเคลื่อนที่ ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวระหว่างกราฟสีเทา/สีน้ำเงินและกราฟสีดำ/สีเขียวคือกราฟสีดำ/สีเขียวใช้ค่าเฉลี่ยเคลื่อนที่ของแรงดันไฟฟ้าในหน้าต่าง 3 มิลลิวินาที นี่เป็นหน้าต่างเล็กๆ เมื่อเทียบกับเวลาระหว่างจังหวะ แต่มันทำให้สัญญาณดูนุ่มนวลขึ้นมาก

ขั้นตอนที่ 10: ขั้นตอนต่อไป?

โครงการนี้ยอดเยี่ยม แต่มีบางอย่างสามารถทำได้ดีกว่าเสมอ นี่คือความคิดบางส่วนของฉัน รู้สึกอิสระที่จะปล่อยให้ของคุณด้านล่าง!

• ใช้ความถี่ตัดที่ต่ำกว่า สิ่งนี้ควรกำจัดเสียงรบกวนบางส่วนที่มีอยู่ในวงจร อาจจะลองเล่นโดยใช้ฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำที่มีการม้วนตัวสูงชัน
• ประสานส่วนประกอบและสร้างสิ่งที่ถาวร สิ่งนี้ควรลดเสียงรบกวน ความเย็นลง และปลอดภัยยิ่งขึ้น
• แปลงสัญญาณเป็นดิจิทัลและส่งออกด้วยตัวของคุณเอง โดยไม่จำเป็นต้องใช้บอร์ด DAQ และช่วยให้คุณเขียนโค้ดที่จะกำหนดอัตราการเต้นของหัวใจให้คุณ แทนที่จะต้องใช้ LabVIEW สิ่งนี้จะช่วยให้ผู้ใช้ทุกวันสามารถตรวจจับการเต้นของหัวใจโดยไม่ต้องใช้โปรแกรมที่ทรงพลัง

โครงการในอนาคต?

• สร้างอุปกรณ์ที่จะแสดงอินพุตโดยตรงบนหน้าจอ (hmmmm raspberry pi และ screen project?)
• ใช้ส่วนประกอบที่จะทำให้วงจรมีขนาดเล็กลง
• สร้าง ECG แบบพกพาแบบ all-in-one พร้อมจอแสดงผลและการตรวจจับอัตราการเต้นของหัวใจ

นี้สรุปคำสั่ง! ขอบคุณสำหรับการอ่าน. กรุณาแสดงความคิดเห็นหรือข้อเสนอแนะด้านล่าง