การออกแบบจอภาพดิจิตอล ECG และวงจร: 5 ขั้นตอน

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

นี่ไม่ใช่เครื่องมือแพทย์ นี่เป็นเพื่อการศึกษาโดยใช้สัญญาณจำลองเท่านั้น หากใช้วงจรนี้สำหรับการวัด ECG จริง โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรและการเชื่อมต่อระหว่างวงจรกับเครื่องมือใช้เทคนิคการแยกที่เหมาะสม

เป้าหมายของโครงการนี้คือการสร้างวงจรที่สามารถขยายและกรองสัญญาณ ECG หรือที่เรียกว่าคลื่นไฟฟ้าหัวใจ สามารถใช้ ECG เพื่อกำหนดอัตราการเต้นของหัวใจและจังหวะการเต้นของหัวใจได้ เนื่องจากสามารถตรวจจับสัญญาณไฟฟ้าที่ผ่านส่วนต่างๆ ของหัวใจในช่วงต่างๆ ของวัฏจักรหัวใจได้ ที่นี่เราใช้เครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด ตัวกรองรอยบาก และตัวกรองความถี่ต่ำเพื่อขยายและกรอง ECG จากนั้นใช้ LabView คำนวณบีตต่อนาทีและแสดงภาพกราฟิกของ ECG ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปสามารถดูได้ด้านบน

ขั้นตอนที่ 1: เครื่องมือขยายสัญญาณ

อัตราขยายที่จำเป็นสำหรับแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดคือ 1,000 V/V สิ่งนี้จะช่วยให้สามารถขยายสัญญาณขาเข้าที่เล็กกว่ามากได้เพียงพอ แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดแบ่งออกเป็นสองส่วน คือ ระยะที่ 1 และระยะที่ 2 อัตราขยายของแต่ละสเตจ (K) ควรใกล้เคียงกัน ดังนั้นเมื่อคูณเข้าด้วยกัน เกนจะอยู่ที่ประมาณ 1,000 สมการด้านล่างใช้เพื่อคำนวณเกน

K1 = 1 + ((2*R2)/R1)

K2 = -R4/R3

จากสมการเหล่านี้ จะพบค่าของ R1, R2, R3 และ R4 เพื่อสร้างวงจรที่เห็นในภาพ ใช้วงจรขยายสัญญาณปฏิบัติการ uA741 สามตัวและตัวต้านทาน op amps ขับเคลื่อนด้วย 15V จากแหล่งจ่ายไฟ DC อินพุตของ Instrumentation Amplifier เชื่อมต่อกับ Function Generator และเอาต์พุตเชื่อมต่อกับ Oscilloscope จากนั้น ทำการกวาด AC และพบการเพิ่มของ Instrumentation Amplifier ดังที่เห็นได้ในพล็อต "Instrumentation Amplifier Gain" ด้านบน ในที่สุด วงจรถูกสร้างขึ้นใหม่ใน LabView ซึ่งจำลองการได้รับนั้นทำงาน ดังที่เห็นได้ในพล็อตสีดำด้านบน ผลลัพธ์ยืนยันว่าวงจรทำงานถูกต้อง

ขั้นตอนที่ 2: Notch Filter

ตัวกรองรอยบากใช้เพื่อขจัดเสียงรบกวนที่เกิดขึ้นที่ 60 Hz ค่าของส่วนประกอบสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการด้านล่าง ใช้ปัจจัยด้านคุณภาพ (Q) เท่ากับ 8 เลือก C เนื่องจากมีตัวเก็บประจุ

R1 = 1/(2*Q*ω*C)

R2 = 2*Q/(ω*C)

R3 = (R1*R2)/(R1+R2)

พบค่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุและวงจรด้านบนถูกสร้างขึ้น สามารถดูค่าที่คำนวณได้ที่นั่น แอมพลิฟายเออร์สำหรับการดำเนินงานนั้นได้รับพลังงานจากแหล่งจ่ายไฟ DC โดยมีอินพุตเชื่อมต่อกับตัวสร้างฟังก์ชันและเอาต์พุตไปยังออสซิลโลสโคป การเรียกใช้ AC Sweep ส่งผลให้เกิดพล็อต "ตัวกรองรอย AC กวาด" ด้านบน ซึ่งแสดงว่าความถี่ 60 Hz ถูกลบออกไปแล้ว เพื่อยืนยันสิ่งนี้ มีการเรียกใช้การจำลอง LabView ซึ่งยืนยันผลลัพธ์

ขั้นตอนที่ 3: ตัวกรองความถี่ต่ำ

ใช้ตัวกรองความถี่ต่ำ Butterworth ลำดับที่สอง โดยมีความถี่ตัดที่ 250Hz ในการแก้หาค่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ ใช้สมการด้านล่าง สำหรับสมการเหล่านี้ ความถี่คัทออฟในหน่วย Hz ถูกเปลี่ยนเป็น rad/วินาที ซึ่งพบว่าเป็น 1570.8 ใช้เกนของ K = 1 ค่าสำหรับ a และ b ถูกกำหนดให้เป็น 1.414214 และ 1 ตามลำดับ

R1 = 2 / (wc (a C2 + sqrt(a^2 + 4 b (K - 1)) C2^2 - 4 b C1 C2))

R2 = 1/ (b C1 C2 R1 wc^2)

R3 = K (R1 + R2) / (K - 1)

R4 = K (R1 + R2)

C1 = (C2 (a^2 + 4 b (K-1)) / (4 b)

C2 = (10 / เอฟซี)

เมื่อคำนวณค่าแล้ว วงจรจะถูกสร้างขึ้นด้วยค่าต่างๆ ซึ่งสามารถเห็นได้จากภาพใดภาพหนึ่งด้านบน ควรสังเกตว่าเนื่องจากใช้เกน 1 R3 ถูกแทนที่ด้วยวงจรเปิดและ R4 ถูกแทนที่ด้วยไฟฟ้าลัดวงจร เมื่อประกอบวงจรแล้ว op amp จะถูกขับเคลื่อนด้วย 15V จาก DC Power Supply เช่นเดียวกับส่วนประกอบอื่นๆ อินพุตและเอาต์พุตเชื่อมต่อกับตัวสร้างฟังก์ชันและออสซิลโลสโคปตามลำดับ มีการสร้างพล็อตของการกวาด AC ที่เห็นใน "Low Pass Filter AC Sweep" ด้านบน พล็อตเป็นสีดำในการจำลองวงจร LabView ยืนยันผลลัพธ์ของเรา

ขั้นตอนที่ 4: LabVIEW

โปรแกรม LabVIEW ที่แสดงในภาพใช้เพื่อคำนวณจังหวะต่อนาที และเพื่อแสดงภาพแทนค่า ECG อินพุต DAQ Assistant จะรับสัญญาณอินพุตและตั้งค่าพารามิเตอร์การสุ่มตัวอย่าง กราฟรูปคลื่นจะแปลงอินพุตที่ DAQ ได้รับบน UI เพื่อแสดงให้ผู้ใช้เห็น ทำการวิเคราะห์หลายครั้งกับข้อมูลที่ป้อน พบค่าสูงสุดของข้อมูลที่ป้อนโดยใช้ตัวระบุสูงสุด/ต่ำสุด และพารามิเตอร์สำหรับตรวจจับพีคจะถูกตั้งค่าโดยใช้การตรวจจับสูงสุด การใช้อาร์เรย์ดัชนีของตำแหน่งพีค เวลาระหว่างค่าสูงสุดที่กำหนดโดยคอมโพเนนต์ Change in Time และการดำเนินการทางคณิตศาสตร์ต่างๆ BPM จะถูกคำนวณและแสดงเป็นเอาต์พุตตัวเลข

ขั้นตอนที่ 5: วงจรที่สมบูรณ์

เมื่อเชื่อมต่อส่วนประกอบทั้งหมดแล้ว ระบบทั้งหมดจะได้รับการทดสอบด้วยสัญญาณ ECG จำลอง จากนั้นจึงใช้วงจรกรองและขยาย ECG ของมนุษย์ด้วยผลลัพธ์ที่แสดงผ่านโปรแกรม LabView ดังกล่าว อิเล็กโทรดติดอยู่ที่ข้อมือขวา ข้อมือซ้าย และข้อเท้าซ้าย ข้อมือซ้ายและข้อมือขวาเชื่อมต่อกับอินพุตของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด ในขณะที่ข้อเท้าซ้ายเชื่อมต่อกับกราวด์ จากนั้นเอาต์พุตของตัวกรองความถี่ต่ำผ่านเชื่อมต่อกับ DAQ Assistant โปรแกรมทำงานโดยใช้ไดอะแกรมบล็อก LabView เดิม เมื่อ ECG ของมนุษย์ผ่านเข้ามา จะมองเห็นสัญญาณที่ชัดเจนและเสถียรจากเอาต์พุตของทั้งระบบ ซึ่งสามารถเห็นได้จากภาพด้านบน