วงจรคลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG) : 7 ขั้นตอน

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

หมายเหตุ: นี่ไม่ใช่อุปกรณ์ทางการแพทย์ นี่เป็นเพื่อการศึกษาโดยใช้สัญญาณจำลองเท่านั้น หากใช้วงจรนี้สำหรับการวัด ECG จริง โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรและการเชื่อมต่อระหว่างวงจรกับเครื่องมือใช้เทคนิคการแยกที่เหมาะสม

เราเป็นนักเรียน 2 คนในสาขาวิศวกรรมชีวการแพทย์ และหลังจากเรียนวงจรแรกแล้ว เราค่อนข้างตื่นเต้นและตัดสินใจใช้พื้นฐานที่เราได้เรียนรู้เพื่อทำสิ่งที่มีประโยชน์: แสดง ECG และอ่านอัตราการเต้นของหัวใจ นี่คงเป็นวงจรที่ซับซ้อนที่สุดที่เราสร้างขึ้นมา!

พื้นหลังบางประการเกี่ยวกับ ECG:

อุปกรณ์ไฟฟ้าจำนวนมากใช้เพื่อวัดและบันทึกกิจกรรมทางชีวภาพในร่างกายมนุษย์ หนึ่งในอุปกรณ์ดังกล่าวคือคลื่นไฟฟ้าหัวใจซึ่งวัดสัญญาณไฟฟ้าที่ผลิตโดยหัวใจ สัญญาณเหล่านี้ให้ข้อมูลวัตถุประสงค์เกี่ยวกับโครงสร้างและหน้าที่ของหัวใจ ECG ได้รับการพัฒนาขึ้นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2430 และทำให้แพทย์มีวิธีใหม่ในการวินิจฉัยโรคแทรกซ้อนของหัวใจ คลื่นไฟฟ้าหัวใจสามารถตรวจจับจังหวะการเต้นของหัวใจ อัตราการเต้นของหัวใจ หัวใจวาย เลือดและออกซิเจนที่ไปเลี้ยงหัวใจไม่เพียงพอ และความผิดปกติของโครงสร้าง ด้วยการออกแบบวงจรอย่างง่าย เราสามารถจัดทำ ECG ที่สามารถตรวจสอบสิ่งเหล่านี้ได้ทั้งหมด

ขั้นตอนที่ 1: วัสดุ

การสร้างวงจร

วัสดุพื้นฐานที่จำเป็นในการสร้างวงจรแสดงอยู่ในรูปภาพ พวกเขารวมถึง:

• เขียงหั่นขนม

• เครื่องขยายเสียงปฏิบัติการ

  • op amp ทั้งหมดที่ใช้ในวงจรนี้คือ LM741
  • สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม โปรดดูเอกสารข้อมูล:
• ตัวต้านทาน
• ตัวเก็บประจุ
• สายไฟ

• อิเล็กโทรดแบบติด

  สิ่งเหล่านี้จำเป็นเฉพาะเมื่อคุณตัดสินใจที่จะลองวงจรกับคนจริง

ซอฟต์แวร์ที่ใช้ประกอบด้วย:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab หรือ PSpice สำหรับการจำลองเพื่อตรวจสอบค่า

• Excel

  ขอแนะนำอย่างยิ่งในกรณีที่คุณต้องการเปลี่ยนลักษณะใดๆ ของวงจรของคุณ คุณอาจต้องเล่นกับตัวเลขจนกว่าคุณจะพบค่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุที่พร้อมใช้งาน การคำนวณด้วยปากกาและกระดาษไม่สามารถทำได้สำหรับการคำนวณนี้! เราได้แนบการคำนวณสเปรดชีตเพื่อให้แนวคิด

ทดสอบวงจร

คุณจะต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดใหญ่ขึ้นด้วย:

• แหล่งจ่ายไฟ DC
• บอร์ด DAQ เพื่อเชื่อมต่อวงจรกับ LabVIEW
• เครื่องกำเนิดฟังก์ชันเพื่อทดสอบวงจร
• ออสซิลโลสโคปเพื่อทดสอบวงจร

ขั้นตอนที่ 2: เครื่องมือขยายสัญญาณ

ทำไมเราต้องการมัน:

เราจะสร้างเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือเพื่อขยายแอมพลิจูดขนาดเล็กที่วัดจากร่างกาย การใช้แอมพลิฟายเออร์สองตัวในระยะแรกของเราจะทำให้เราสามารถตัดเสียงรบกวนที่เกิดจากร่างกายได้ (ซึ่งจะเหมือนกันที่ขั้วไฟฟ้าทั้งสอง) เราจะใช้สองขั้นตอนของการได้รับที่เท่ากัน - ซึ่งจะปกป้องผู้ใช้หากระบบเชื่อมต่อกับบุคคลโดยป้องกันไม่ให้ผลประโยชน์ทั้งหมดเกิดขึ้นในที่เดียว เนื่องจากแอมพลิจูดปกติของสัญญาณ ECG อยู่ระหว่าง 0.1 ถึง 5 mV เราจึงต้องการให้เกนของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดมีค่าประมาณ 100 ค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ของเกนคือ 10%

วิธีสร้าง:

การใช้ข้อกำหนดเหล่านี้และสมการที่เห็นในตาราง (รูปภาพที่แนบมา) เราพบว่าค่าความต้านทานของเราเป็น R1= 1.8 กิโลโอห์ม, R2=8.2 กิโลโอห์ม, R3 = 1.5 กิโลโอห์ม และ R4 = 15 กิโลโอห์ม K1 คือเกนของสเตจแรก (OA1 และ OA2) และ K2 คือเกนของสเตจที่สอง (OA3) ตัวเก็บประจุบายพาสความจุเท่ากันจะใช้กับแหล่งจ่ายไฟของแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงานเพื่อขจัดเสียงรบกวน

วิธีทดสอบ:

สัญญาณใดๆ ที่ป้อนเข้าในเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือควรได้รับการขยาย 100 การใช้ dB=20log(Vout/Vin) นี่หมายถึงอัตราส่วน 40 dB คุณสามารถจำลองสิ่งนี้ใน PSpice หรือ CircuitLab หรือทดสอบอุปกรณ์จริงหรือทั้งสองอย่าง!

ภาพออสซิลโลสโคปที่แนบแสดงการเพิ่มขึ้น 1,000 สำหรับ ECG จริง นี่สูงเกินไป!

ขั้นตอนที่ 3: Notch Filter

ทำไมเราต้องการมัน:

เราจะใช้ตัวกรองรอยบากเพื่อขจัดเสียงรบกวน 60 Hz ที่มีอยู่ในแหล่งจ่ายไฟทั้งหมดในสหรัฐอเมริกา

วิธีสร้าง:

เราจะตั้งค่าปัจจัยด้านคุณภาพ Q เป็น 8 ซึ่งจะให้ผลลัพธ์การกรองที่ยอมรับได้ในขณะที่รักษาค่าส่วนประกอบในช่วงที่เป็นไปได้ นอกจากนี้เรายังตั้งค่าตัวเก็บประจุเป็น 0.1 μF เพื่อให้การคำนวณมีผลกับตัวต้านทานเท่านั้น ค่าตัวต้านทานที่คำนวณและใช้งานสามารถดูได้ในตาราง (ในภาพ) หรือด้านล่าง

• Q = w/B

  ตั้งค่า Q เป็น 8 (หรือเลือกตามความต้องการของคุณเอง)

• w = 2*pi*f

  ใช้ f = 60 Hz

• ค

  ตั้งค่าเป็น 0.1 uF (หรือเลือกค่าของคุณเองจากตัวเก็บประจุที่มีอยู่)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  คำนวณ. ค่าของเราคือ 1.66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  คำนวณ. ค่าของเราคือ 424.4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  คำนวณ. ค่าของเราคือ 1.65 kohm

วิธีทดสอบ:

ตัวกรองรอยบากควรผ่านความถี่ทั้งหมดไม่เปลี่ยนแปลง ยกเว้นความถี่ประมาณ 60 Hz สามารถตรวจสอบได้ด้วยการกวาด AC ตัวกรองที่มีอัตราขยาย -20 dB ที่ 60 Hz ถือว่าดี คุณสามารถจำลองสิ่งนี้ใน PSpice หรือ CircuitLab หรือทดสอบอุปกรณ์จริงหรือทั้งสองอย่าง!

ตัวกรองรอยบากประเภทนี้อาจสร้างรอยบากที่ดีในการกวาด AC จำลอง แต่การทดสอบทางกายภาพพบว่าค่าดั้งเดิมของเราสร้างรอยบากที่ความถี่ต่ำกว่าที่ตั้งใจไว้ ในการแก้ไขปัญหานี้ เราชน R2 ขึ้นประมาณ 25 kohm

ภาพออสซิลโลสโคปแสดงตัวกรองช่วยลดขนาดสัญญาณอินพุตที่ 60 Hz อย่างมาก กราฟแสดงการกวาดแบบ AC สำหรับตัวกรองรอยบากคุณภาพสูง

ขั้นตอนที่ 4: ตัวกรองความถี่ต่ำ

ทำไมเราต้องการมัน:

ขั้นตอนสุดท้ายของอุปกรณ์คือตัวกรองสัญญาณความถี่ต่ำที่ทำงานอยู่ สัญญาณ ECG ประกอบด้วยรูปคลื่นต่างๆ มากมาย ซึ่งแต่ละคลื่นมีความถี่ของตัวเอง เราต้องการจับภาพทั้งหมดนี้โดยไม่มีสัญญาณรบกวนความถี่สูง เลือกความถี่ตัดมาตรฐานสำหรับจอภาพ ECG 150 Hz (บางครั้งอาจเลือกจุดตัดที่สูงขึ้นเพื่อตรวจสอบปัญหาหัวใจที่เฉพาะเจาะจง แต่สำหรับโครงการของเรา เราจะใช้จุดตัดปกติ)

หากคุณต้องการสร้างวงจรที่ง่ายขึ้น คุณสามารถใช้ตัวกรองสัญญาณความถี่ต่ำแบบพาสซีฟได้ สิ่งนี้จะไม่รวม op amp และจะประกอบด้วยตัวต้านทานแบบอนุกรมพร้อมตัวเก็บประจุ แรงดันไฟขาออกจะถูกวัดทั่วตัวเก็บประจุ

วิธีสร้าง:

เราจะออกแบบให้เป็นตัวกรอง Butterworth ลำดับที่สอง ซึ่งมีค่าสัมประสิทธิ์ a และ b เท่ากับ 1.414214 และ 1 ตามลำดับ การตั้งค่าเกนเป็น 1 ทำให้แอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการเป็นผู้ติดตามแรงดันไฟฟ้า สมการและค่าที่เลือกจะแสดงในตาราง (ในรูปภาพ) และด้านล่าง

• w=2*pi*f

  ตั้งค่า f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  คำนวณ. ค่าของเราคือ 0.067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  คำนวณ. ค่าของเราคือ 0.033 uF

• R1 = 2/(w*(aC2+sqrt(a^2*C2^2-4b*C1*C2)))

  คำนวณ. ค่าของเราคือ 18.836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  คำนวณ. ค่าของเราคือ 26.634 kohm

วิธีทดสอบ:

ตัวกรองควรผ่านความถี่ต่ำกว่าจุดตัดที่ไม่เปลี่ยนแปลง สามารถทดสอบได้โดยใช้การกวาดแบบ AC คุณสามารถจำลองสิ่งนี้ใน PSpice หรือ CircuitLab หรือทดสอบอุปกรณ์จริงหรือทั้งสองอย่าง!

ภาพออสซิลโลสโคปแสดงการตอบสนองของฟิลเตอร์ที่ 100 Hz, 150 Hz และ 155 Hz วงจรทางกายภาพของเรามีจุดตัดใกล้กับ 155 Hz แสดงโดยอัตราส่วน -3 dB

ขั้นตอนที่ 5: ตัวกรองความถี่สูง

ทำไมเราต้องการมัน:

ใช้ตัวกรองความถี่สูงผ่านเพื่อไม่ให้มีการบันทึกความถี่ที่ต่ำกว่าค่าคัทออฟ ทำให้สามารถส่งสัญญาณสะอาดผ่านได้ เลือกความถี่ตัดเป็น 0.5 Hz (ค่ามาตรฐานสำหรับจอภาพ ECG)

วิธีสร้าง:

ค่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุที่จำเป็นเพื่อให้บรรลุสิ่งนี้มีดังต่อไปนี้ ความต้านทานที่แท้จริงของเราที่ใช้คือ 318.2 kohm

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • ตั้งค่า f = 0.5 Hz และ C = 1 uF
  • คำนวณ R ค่าของเราคือ 318.310 kohm

วิธีทดสอบ:

ตัวกรองควรผ่านความถี่เหนือจุดตัดที่ไม่เปลี่ยนแปลง สามารถทดสอบได้โดยใช้การกวาดแบบ AC คุณสามารถจำลองสิ่งนี้ใน PSpice หรือ CircuitLab หรือทดสอบอุปกรณ์จริงหรือทั้งสองอย่าง!

ขั้นตอนที่ 6: การตั้งค่า LabVIEW

ผังงานแสดงแนวคิดการออกแบบของส่วน LabVIEW ของโครงการ ซึ่งบันทึกสัญญาณที่อัตราการสุ่มตัวอย่างสูงและแสดงอัตราการเต้นของหัวใจ (BPM) และ ECG วงจร LabView ของเราประกอบด้วยส่วนประกอบต่อไปนี้: ตัวช่วย DAQ, อาร์เรย์ดัชนี, ตัวดำเนินการเลขคณิต, การตรวจจับจุดสูงสุด, ตัวบ่งชี้ที่เป็นตัวเลข, กราฟรูปคลื่น, การเปลี่ยนแปลงของเวลา, ตัวระบุสูงสุด/ต่ำสุด และค่าคงที่ตัวเลข ตัวช่วย DAQ ถูกตั้งค่าให้เก็บตัวอย่างต่อเนื่องที่อัตรา 1 kHz โดยจำนวนตัวอย่างที่เปลี่ยนแปลงระหว่าง 3, 000 ถึง 5, 000 ตัวอย่างสำหรับการตรวจจับสูงสุดและจุดประสงค์เพื่อความชัดเจนของสัญญาณ

เลื่อนเมาส์ไปวางเหนือส่วนประกอบต่างๆ ในแผนภาพวงจรเพื่ออ่านตำแหน่งใน LabVIEW เพื่อค้นหา!

ขั้นตอนที่ 7: การรวบรวมข้อมูล

เมื่อประกอบวงจรแล้ว ก็สามารถเก็บข้อมูลได้ ดูว่าใช้งานได้ไหม! ส่ง ECG จำลองผ่านวงจรที่ 1 Hz ผลลัพธ์ควรเป็นสัญญาณ ECG ที่สะอาดซึ่งสามารถมองเห็น QRS complex, P wave และ T wave ได้ชัดเจน อัตราการเต้นของหัวใจควรแสดง 60 ครั้งต่อนาที (bpm) หากต้องการทดสอบวงจรและการตั้งค่า LabVIEW เพิ่มเติม ให้เปลี่ยนความถี่เป็น 1.5 Hz และ 0.5 Hz อัตราการเต้นของหัวใจควรเปลี่ยนเป็น 90 bpm และ 30 bpm ตามลำดับ

เพื่อให้อัตราการเต้นของหัวใจช้าลงอย่างแม่นยำ คุณอาจต้องปรับการตั้งค่า DAQ เพื่อแสดงคลื่นต่อกราฟมากขึ้น ซึ่งสามารถทำได้โดยการเพิ่มจำนวนตัวอย่าง

หากคุณเลือกที่จะทดสอบอุปกรณ์กับมนุษย์ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าแหล่งจ่ายไฟที่คุณใช้สำหรับ op amps จำกัดกระแสที่ 0.015 mA! มีการกำหนดค่าตะกั่วที่ยอมรับได้หลายแบบ แต่เราเลือกที่จะวางอิเล็กโทรดบวกที่ข้อเท้าซ้าย อิเล็กโทรดลบที่ข้อมือขวา และอิเล็กโทรดกราวด์ที่ข้อเท้าขวาตามที่เห็นในรูปภาพที่แนบมา

โดยใช้แนวคิดเกี่ยวกับวงจรพื้นฐานและความรู้ของเราเกี่ยวกับหัวใจมนุษย์ เราได้แสดงให้คุณเห็นถึงวิธีการสร้างอุปกรณ์ที่สนุกและมีประโยชน์ เราหวังว่าคุณจะสนุกกับการกวดวิชาของเรา!