เครื่องวัด ECG แบบดิจิตอลและอัตราการเต้นของหัวใจ: 8 ขั้นตอน

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

ข้อสังเกต: นี่ไม่ใช่อุปกรณ์ทางการแพทย์ นี่เป็นเพื่อการศึกษาโดยใช้สัญญาณจำลองเท่านั้น หากใช้วงจรนี้สำหรับการวัด ECG จริง โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรและการเชื่อมต่อระหว่างวงจรกับเครื่องมือใช้พลังงานจากแบตเตอรี่และเทคนิคการแยกอื่นๆ ที่เหมาะสม

คลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG) บันทึกสัญญาณไฟฟ้าระหว่างรอบการเต้นของหัวใจ ทุกครั้งที่หัวใจเต้น จะมีวงจรของการแบ่งขั้วและขั้วมากเกินไปของเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจ อิเล็กโทรดสามารถบันทึกการขั้วและไฮเปอร์โพลาไรซ์ และแพทย์อ่านข้อมูลนั้นเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการทำงานของหัวใจ คลื่นไฟฟ้าหัวใจสามารถระบุกล้ามเนื้อหัวใจตาย, ภาวะหัวใจห้องบนหรือกระเป๋าหน้าท้อง, อิศวรและหัวใจเต้นช้า [1] หลังจากพิจารณาแล้วว่าปัญหามาจาก ECG อะไร แพทย์สามารถวินิจฉัยและรักษาผู้ป่วยได้สำเร็จ ทำตามขั้นตอนด้านล่างเพื่อเรียนรู้วิธีทำเครื่องบันทึกคลื่นไฟฟ้าหัวใจของคุณเอง!

ขั้นตอนที่ 1: วัสดุ

ส่วนประกอบวงจร:

• เครื่องขยายเสียงปฏิบัติการ UA741 ห้าตัว
• ตัวต้านทาน
• ตัวเก็บประจุ
• สายจัมเปอร์
• กระดาน DAQ
• ซอฟต์แวร์ LabVIEW

อุปกรณ์ทดสอบ:

• เครื่องกำเนิดฟังก์ชัน
• แหล่งจ่ายไฟ DC
• ออสซิลโลสโคป
• สาย BNC และ T-splitter
• สายจัมเปอร์
• คลิปจระเข้
• ปลั๊กกล้วย

ขั้นตอนที่ 2: เครื่องมือขยายสัญญาณ

ขั้นตอนแรกของวงจรคือเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด สิ่งนี้จะขยายสัญญาณทางชีวภาพเพื่อให้สามารถแยกแยะส่วนประกอบต่าง ๆ ของ ECG ได้

แผนภาพวงจรสำหรับเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัดแสดงไว้ด้านบน เกนขั้นแรกของวงจรนี้ถูกกำหนดเป็น K1 = 1 + 2*R2 / R1 อัตราขยายขั้นที่สองของวงจรถูกกำหนดเป็น K2 = R4 / R3 อัตราขยายโดยรวมของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดคือ K1 * K2 อัตราขยายที่ต้องการสำหรับโครงการนี้คือประมาณ 1,000 ดังนั้น K1 จึงถูกเลือกให้เป็น 31 และ K2 ถูกเลือกให้เป็น 33 ค่าตัวต้านทานสำหรับอัตราขยายเหล่านี้แสดงไว้ด้านบนในแผนภาพวงจร คุณสามารถใช้ค่าตัวต้านทานที่แสดงด้านบน หรือปรับเปลี่ยนค่าเพื่อให้ได้ค่าเกนที่ต้องการได้**

เมื่อคุณเลือกค่าส่วนประกอบแล้ว คุณสามารถสร้างวงจรบนเขียงหั่นขนมได้ เพื่อลดความซับซ้อนของการเชื่อมต่อวงจรบนเขียงหั่นขนม รางแนวนอนเชิงลบด้านบนถูกตั้งค่าเป็นกราวด์ในขณะที่รางแนวนอนสองรางที่ด้านล่างถูกตั้งค่าเป็น +/- 15V ตามลำดับ

op amp ตัวแรกถูกวางไว้ที่ด้านซ้ายของ breadboard เพื่อเว้นที่ว่างสำหรับส่วนประกอบที่เหลือทั้งหมด สิ่งที่แนบมาถูกเพิ่มเข้ามาตามลำดับเวลาของหมุด ทำให้ง่ายต่อการติดตามว่ามีการเพิ่มชิ้นส่วนใดบ้าง เมื่อพินทั้งหมดสำหรับ op amp 1 เสร็จสมบูรณ์แล้ว จะสามารถวาง op amp ถัดไปได้ ย้ำอีกครั้งว่าต้องอยู่ใกล้กันเพื่อไม่ให้มีที่ว่าง กระบวนการพินตามลำดับเวลาเดียวกันเสร็จสมบูรณ์สำหรับออปแอมป์ทั้งหมดจนกว่าแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดจะเสร็จสมบูรณ์

จากนั้นจึงเพิ่มตัวเก็บประจุบายพาสนอกเหนือจากแผนภาพวงจรเพื่อกำจัดคัปปลิ้ง AC ในสายไฟ ตัวเก็บประจุเหล่านี้วางขนานกับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงและต่อสายดินบนรางเชิงลบแนวนอนด้านบน ตัวเก็บประจุเหล่านี้ควรอยู่ในช่วง 0.1 ถึง 1 microFarad op amp แต่ละตัวมีตัวเก็บประจุแบบบายพาสสองตัว ตัวหนึ่งสำหรับพิน 4 และอีกตัวสำหรับพิน 7 ตัวเก็บประจุสองตัวบน op amp แต่ละตัวต้องมีค่าเท่ากัน แต่อาจแตกต่างกันไปตาม op amp ไปจนถึง op amp

เพื่อทดสอบการขยายเสียง เครื่องกำเนิดฟังก์ชันและออสซิลโลสโคปเชื่อมต่ออินพุตและเอาต์พุตของเครื่องขยายเสียงตามลำดับ สัญญาณอินพุตยังเชื่อมต่อกับออสซิลโลสโคป ใช้คลื่นไซน์อย่างง่ายเพื่อกำหนดการขยาย ป้อนเอาต์พุตของเครื่องกำเนิดฟังก์ชันลงในขั้วอินพุตทั้งสองของเครื่องขยายเสียงเครื่องมือวัด ตั้งค่าออสซิลโลสโคปเพื่อวัดอัตราส่วนของสัญญาณเอาต์พุตต่อสัญญาณอินพุต อัตราขยายของวงจรในหน่วยเดซิเบลคือ เกน = 20 * log10(Vout / Vin) เพื่อให้ได้ 1,000 เดซิเบลจะเพิ่มเป็น 60dB เมื่อใช้ออสซิลโลสโคป คุณสามารถระบุได้ว่าเกนของวงจรที่สร้างขึ้นนั้นตรงตามข้อกำหนดของคุณหรือไม่ หรือหากคุณต้องการเปลี่ยนค่าตัวต้านทานเพื่อปรับปรุงวงจรของคุณ

เมื่อประกอบและทำงานแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดอย่างถูกต้องแล้ว คุณสามารถไปยังตัวกรองรอย

**ในแผนภาพวงจรด้านบน R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 =R42

ขั้นตอนที่ 3: Notch Filter

จุดประสงค์ของตัวกรองรอยบากคือเพื่อขจัดเสียงรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟผนัง 60 Hz ตัวกรองรอยบากจะลดทอนสัญญาณที่ความถี่คัทออฟ และส่งผ่านความถี่ด้านบนและด้านล่าง สำหรับวงจรนี้ ความถี่ตัดที่ต้องการคือ 60 Hz

สมการควบคุมสำหรับแผนภาพวงจรที่แสดงด้านบนคือ R1 = 1 /(2 * Q * w *C), R2 = 2 * Q / (w * C) และ R3 = R1 * R2 / (R1 + R2) โดยที่ Q คือปัจจัยด้านคุณภาพและ w คือ 2 * pi * (ความถี่คัตออฟ) ปัจจัยด้านคุณภาพของ 8 ให้ค่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุในช่วงที่เหมาะสม ค่าตัวเก็บประจุสามารถสันนิษฐานได้ทั้งหมดเหมือนกัน ดังนั้น คุณสามารถเลือกค่าตัวเก็บประจุที่มีอยู่ในชุดอุปกรณ์ของคุณได้ ค่าตัวต้านทานที่แสดงในวงจรด้านบนใช้สำหรับความถี่คัตออฟ 60 Hz ปัจจัยด้านคุณภาพ 8 และค่าตัวเก็บประจุ 0.22 uF

เนื่องจากตัวเก็บประจุเพิ่มขนานกัน ตัวเก็บประจุสองตัวของค่า C ที่เลือกจึงถูกวางขนานกันเพื่อให้ได้ค่า 2C นอกจากนี้ยังมีการเพิ่มตัวเก็บประจุบายพาสในแอมป์สหกรณ์

ในการทดสอบตัวกรองรอยบาก ให้เชื่อมต่อเอาต์พุตจากตัวสร้างฟังก์ชันกับอินพุตของตัวกรองรอยบาก สังเกตอินพุตและเอาต์พุตของวงจรบนออสซิลโลสโคป เพื่อให้มีตัวกรองรอยบากที่มีประสิทธิภาพ คุณควรได้รับน้อยกว่าหรือเท่ากับ -20dB ที่ความถี่คัทออฟ เนื่องจากส่วนประกอบไม่เหมาะจึงทำได้ยาก ค่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุที่คำนวณได้อาจไม่ให้ค่าที่ต้องการ คุณจะต้องทำการเปลี่ยนแปลงค่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ

ในการทำเช่นนั้น ให้เน้นที่องค์ประกอบทีละอย่าง เพิ่มและลดมูลค่าของส่วนประกอบเดียวโดยไม่เปลี่ยนแปลงส่วนอื่น สังเกตผลกระทบที่มีต่อเกนของวงจร นี้อาจต้องใช้ความอดทนมากเพื่อให้ได้กำไรที่ต้องการ จำไว้ว่า คุณสามารถเพิ่มตัวต้านทานแบบอนุกรมเพื่อเพิ่มหรือลดค่าตัวต้านทานได้ การเปลี่ยนแปลงที่ปรับปรุงการได้รับของเรามากที่สุดคือการเพิ่มตัวเก็บประจุตัวใดตัวหนึ่งเป็น 0.33 uF

ขั้นตอนที่ 4: ตัวกรองความถี่ต่ำ

ตัวกรองความถี่ต่ำจะขจัดสัญญาณรบกวนความถี่สูงที่อาจรบกวนสัญญาณ ECG คัทออฟความถี่ต่ำที่ 40 Hz เพียงพอที่จะจับข้อมูลรูปคลื่น ECG อย่างไรก็ตาม ส่วนประกอบบางอย่างของ ECG นั้นเกิน 40 Hz สามารถใช้คัทออฟ 100 Hz หรือ 150 Hz ได้ [2]

ตัวกรองความถี่ต่ำที่สร้างขึ้นคือตัวกรอง Butterworth ลำดับที่สอง เนื่องจากเกนของวงจรของเราถูกกำหนดโดยแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือ เราจึงต้องการเกน 1 ภายในแบนด์สำหรับฟิลเตอร์ความถี่ต่ำ เพื่อให้ได้ 1 RA จะถูกลัดวงจรและ RB เปิดอยู่ในแผนภาพวงจรด้านบน [3] ในวงจร C1 = 10 / (fc) uF โดยที่ fc คือความถี่ตัด C1 ควรน้อยกว่าหรือเท่ากับ C2 * a^2 / (4 * b) สำหรับตัวกรอง Butterworth ลำดับที่สอง a = sqrt(2) และ b = 1 การแทนค่าสำหรับ a และ b สมการสำหรับ C2 จะลดลงเหลือน้อยกว่าหรือเท่ากับ C1 / 2 จากนั้น R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt(a^2 *C2 ^2 - 4 *b * C1 * C2))] และ R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2) โดยที่ w = 2 *pi * เอฟซี การคำนวณสำหรับวงจรนี้เสร็จสมบูรณ์เพื่อให้มีคัทออฟที่ 40Hz ค่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุที่ตรงตามข้อกำหนดเหล่านี้จะแสดงในแผนภาพวงจรด้านบน

op amp ถูกวางไว้ที่ด้านขวาสุดของ breadboard เนื่องจากจะไม่มีการเพิ่มส่วนประกอบอื่นหลังจากนั้น ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุถูกเพิ่มเข้าไปใน op amp เพื่อให้วงจรสมบูรณ์ ตัวเก็บประจุบายพาสถูกเพิ่มเข้าไปในออปแอมป์ด้วย เทอร์มินัลอินพุตว่างไว้เนื่องจากอินพุตจะมาจากสัญญาณเอาต์พุตของตัวกรองรอยบาก อย่างไรก็ตาม เพื่อวัตถุประสงค์ในการทดสอบ ลวดถูกวางไว้ที่ขาอินพุต เพื่อให้สามารถแยกตัวกรองความถี่ต่ำผ่านและทดสอบแยกกันได้

คลื่นไซน์จากเครื่องกำเนิดฟังก์ชันถูกใช้เป็นสัญญาณอินพุตและสังเกตที่ความถี่ต่างๆ สังเกตทั้งสัญญาณอินพุตและเอาต์พุตบนออสซิลโลสโคปและกำหนดอัตราขยายของวงจรที่ความถี่ต่างกัน สำหรับฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำ อัตราขยายที่ความถี่คัตออฟควรเป็น -3db สำหรับวงจรนี้ คัทออฟควรเกิดขึ้นที่ 40 Hz ความถี่ที่ต่ำกว่า 40Hz ควรมีการลดทอนเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลยในรูปคลื่น แต่เมื่อความถี่เพิ่มขึ้นมากกว่า 40 Hz อัตราขยายก็จะค่อยๆ ลดลง

ขั้นตอนที่ 5: การประกอบวงจรขั้นตอน

เมื่อคุณสร้างแต่ละขั้นตอนของวงจรและทดสอบอย่างอิสระแล้ว คุณสามารถเชื่อมต่อพวกมันทั้งหมดได้ เอาต์พุตของเครื่องขยายเสียงเครื่องมือวัดควรเชื่อมต่อกับอินพุตของตัวกรองรอยบาก เอาต์พุตของตัวกรองรอยบากควรเชื่อมต่อกับอินพุตของตัวกรองความถี่ต่ำ

ในการทดสอบวงจร ให้เชื่อมต่ออินพุตเครื่องกำเนิดฟังก์ชันกับอินพุตของสเตจแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด สังเกตอินพุตและเอาต์พุตของวงจรบนออสซิลโลสโคป คุณสามารถทดสอบด้วยคลื่น ECG ที่ตั้งโปรแกรมไว้ล่วงหน้าจากเครื่องกำเนิดฟังก์ชัน หรือด้วยคลื่นไซน์และสังเกตผลกระทบของวงจรของคุณ ในภาพออสซิลโลสโคปด้านบน เส้นโค้งสีเหลืองคือรูปคลื่นอินพุต และเส้นโค้งสีเขียวคือเอาต์พุต

เมื่อคุณเชื่อมต่อวงจรทั้งหมดของคุณและแสดงให้เห็นว่าทำงานอย่างถูกต้องแล้ว คุณสามารถเชื่อมต่อเอาท์พุตของวงจรของคุณกับบอร์ด DAQ และเริ่มเขียนโปรแกรมใน LabVIEW

ขั้นตอนที่ 6: โปรแกรม LabVIEW

รหัส LabVIEW คือการตรวจจับการเต้นต่อเมตรจากคลื่น ECG จำลองที่ความถี่ต่างกัน ในการตั้งโปรแกรมใน LabVIEW คุณต้องระบุส่วนประกอบทั้งหมดก่อน ต้องตั้งค่าตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัลหรือที่เรียกว่าบอร์ดเก็บข้อมูล (DAQ) และตั้งค่าให้ทำงานอย่างต่อเนื่อง สัญญาณเอาต์พุตจากวงจรเชื่อมต่อกับอินพุตของบอร์ด DAQ กราฟรูปคลื่นในโปรแกรม LabVIEW เชื่อมต่อโดยตรงกับเอาต์พุตของตัวช่วย DAQ เอาต์พุตจากข้อมูล DAQ จะไปที่ตัวระบุสูงสุด/ต่ำสุดด้วย จากนั้นสัญญาณจะผ่านตัวดำเนินการเลขคณิตการคูณ ตัวบ่งชี้ตัวเลข 0.8 ใช้ในการคำนวณค่าเกณฑ์ เมื่อสัญญาณเกิน 0.8*สูงสุด จะมีการตรวจพบพีค ทุกครั้งที่พบค่านี้ ค่านี้จะถูกเก็บไว้ในอาร์เรย์ดัชนี จุดข้อมูลสองจุดจะถูกเก็บไว้ในอาร์เรย์ดัชนีและป้อนลงในตัวดำเนินการเลขคณิตการลบ พบการเปลี่ยนแปลงของเวลาระหว่างสองค่านี้ จากนั้นในการคำนวณอัตราการเต้นของหัวใจ 60 หารด้วยความแตกต่างของเวลา ตัวบ่งชี้ตัวเลขซึ่งแสดงถัดจากกราฟเอาต์พุต จะส่งสัญญาณออกอัตราการเต้นของหัวใจเป็นจังหวะต่อนาที (bpm) ของสัญญาณอินพุต เมื่อติดตั้งโปรแกรมแล้ว ทั้งหมดควรใส่ไว้ภายในแบบต่อเนื่อง while loop อินพุตความถี่ที่ต่างกันให้ค่า bpm ที่แตกต่างกัน

ขั้นตอนที่ 7: รวบรวมข้อมูล ECG

ตอนนี้คุณสามารถป้อนสัญญาณ ECG จำลองลงในวงจรของคุณและบันทึกข้อมูลในโปรแกรม LabVIEW ของคุณได้! เปลี่ยนความถี่และแอมพลิจูดของ ECG จำลองเพื่อดูว่าส่งผลต่อข้อมูลที่บันทึกไว้อย่างไร เมื่อคุณเปลี่ยนความถี่ คุณควรเห็นการเปลี่ยนแปลงของอัตราการเต้นของหัวใจที่คำนวณได้ คุณออกแบบ ECG และเครื่องวัดอัตราการเต้นของหัวใจสำเร็จแล้ว!

ขั้นตอนที่ 8: การปรับปรุงเพิ่มเติม

อุปกรณ์ที่สร้างขึ้นจะทำงานได้ดีสำหรับการรับสัญญาณ ECG จำลอง อย่างไรก็ตาม หากคุณต้องการบันทึกสัญญาณทางชีวภาพ (โปรดปฏิบัติตามข้อควรระวังด้านความปลอดภัยที่เหมาะสม) ควรทำการปรับเปลี่ยนวงจรเพิ่มเติมเพื่อปรับปรุงการอ่านสัญญาณ ควรเพิ่มตัวกรองความถี่สูงเพื่อลบ DC offset และวัตถุเคลื่อนไหวความถี่ต่ำ เกนของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดควรลดลงสิบเท่าเพื่อให้อยู่ในช่วงที่ใช้งานได้สำหรับ LabVIEW และ op amps

แหล่งที่มา

[1] เอส. มีคและเอฟ. มอร์ริส, “บทนำ. II--คำศัพท์พื้นฐาน,” BMJ, vol. 324 ไม่ใช่ 7335, pp. 470–3, ก.พ. 2002.

[2] Chia-Hung Lin คุณสมบัติโดเมนความถี่สำหรับการเลือกปฏิบัติ ECG เอาชนะโดยใช้ตัวแยกประเภทตามการวิเคราะห์เชิงสัมพันธ์สีเทา ในคอมพิวเตอร์และคณิตศาสตร์พร้อมแอปพลิเคชัน เล่มที่ 55 ฉบับที่ 4 2008 หน้า 680-690 ISSN 0898-1221 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii…

[3] “ตัวกรองลำดับที่สอง | การออกแบบตัวกรองความถี่ต่ำอันดับสอง” Basic Electronics Tutorials, 9 Sept. 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…