การตรวจคลื่นไฟฟ้าหัวใจ: 8 ขั้นตอน

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

ข้อสังเกต: นี่ไม่ใช่อุปกรณ์ทางการแพทย์ นี่เป็นเพื่อการศึกษาโดยใช้สัญญาณจำลองเท่านั้น หากใช้วงจรนี้สำหรับการวัด ECG จริง โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรและการเชื่อมต่อระหว่างวงจรกับเครื่องมือใช้เทคนิคการแยกที่เหมาะสม

คลื่นไฟฟ้าหัวใจเป็นกระบวนการบันทึกสัญญาณไฟฟ้าที่สร้างโดยหัวใจของผู้ป่วยเพื่อรับข้อมูลเกี่ยวกับกิจกรรมของหัวใจ เพื่อให้จับสัญญาณไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ จะต้องกรองและขยายสัญญาณผ่านส่วนประกอบทางไฟฟ้า ข้อมูลจะต้องนำเสนอต่อผู้ใช้ในลักษณะที่ชัดเจนและมีประสิทธิภาพ

คำแนะนำต่อไปนี้จะสรุปวิธีการสร้างวงจรขยาย/การกรอง ตลอดจนอินเทอร์เฟซผู้ใช้ มันเกี่ยวข้องกับการสร้างแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด, ฟิลเตอร์บาก, ฟิลเตอร์ความถี่ต่ำและส่วนต่อประสานผู้ใช้ใน LabVIEW

ขั้นตอนแรกในกระบวนการคือการกำหนดข้อกำหนดของวงจรแอนะล็อก หลังจากกำหนดข้อกำหนดแล้ว การตัดสินใจเกี่ยวกับส่วนประกอบหลักที่จะประกอบเป็นวงจร ต่อมา จะมีการกล่าวถึงรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ เกี่ยวกับลักษณะของส่วนประกอบหลักเหล่านี้ และสุดท้ายขั้นตอนการออกแบบวงจรจะสรุปโดยการกำหนดค่าที่แน่นอนของตัวต้านทานและตัวเก็บประจุทุกตัวในวงจร

ขั้นตอนที่ 1: การกำหนดข้อกำหนดและส่วนประกอบหลัก

งานของวงจรคือการขยายสัญญาณ ECG ที่สร้างโดยผู้ป่วย และกรองสัญญาณรบกวนที่เกี่ยวข้องทั้งหมดออก สัญญาณดิบประกอบด้วยรูปคลื่นที่ซับซ้อนซึ่งมีแอมพลิจูดสูงสุดประมาณ 2 mV และส่วนประกอบความถี่ในช่วง 100 Hz ถึง 250 Hz ใน QRS complex นี่คือสัญญาณที่จะขยายและบันทึก

นอกจากสัญญาณที่น่าสนใจแล้ว เสียงรบกวนยังมาจากแหล่งต่างๆ อุปกรณ์จ่ายไฟสร้างเสียงรบกวน 60 Hz และการเคลื่อนไหวของผู้ป่วยจะสร้างสิ่งแปลกปลอมในช่วงน้อยกว่า 1 Hz สัญญาณรบกวนความถี่สูงเพิ่มเติมมาจากการแผ่รังสีพื้นหลังและสัญญาณโทรคมนาคม เช่น โทรศัพท์มือถือและอินเทอร์เน็ตไร้สาย คอลเลกชันของสัญญาณรบกวนนี้เป็นสัญญาณที่จะกรอง

วงจรต้องขยายสัญญาณดิบก่อน จากนั้นจะต้องกรองสัญญาณรบกวน 60 Hz และเสียงอื่นๆ ที่สูงกว่า 160 Hz ออก การกรองสัญญาณรบกวนความถี่ต่ำที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวของผู้ป่วยนั้นถือว่าไม่จำเป็น เนื่องจากผู้ป่วยสามารถได้รับคำสั่งให้นิ่งเฉยได้

เนื่องจากสัญญาณถูกวัดเป็นความต่างศักย์ระหว่างอิเล็กโทรดสองขั้วที่อยู่บนตัวคนไข้ การขยายสัญญาณทำได้โดยใช้เครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด สามารถใช้แอมพลิฟายเออร์ความแตกต่างแบบธรรมดาได้เช่นกัน แต่แอมพลิฟายเออร์ของเครื่องมือวัดมักจะทำงานได้ดีกว่าในแง่ของการปฏิเสธเสียงรบกวนและความคลาดเคลื่อน การกรอง 60 Hz ทำได้โดยใช้ตัวกรองแบบบาก และการกรองความถี่สูงที่เหลือทำได้โดยใช้ตัวกรองความถี่ต่ำ องค์ประกอบทั้งสามนี้ประกอบขึ้นเป็นวงจรแอนะล็อกทั้งหมด

เมื่อทราบองค์ประกอบสามประการของวงจรแล้ว จะสามารถกำหนดรายละเอียดที่เล็กลงเกี่ยวกับอัตราขยาย ความถี่ตัด และแบนด์วิดท์ของส่วนประกอบได้

แอมป์วัดค่าจะถูกตั้งค่าเป็นอัตราขยาย 670 ซึ่งใหญ่พอที่จะบันทึกสัญญาณ ECG ขนาดเล็ก แต่ยังเล็กพอที่จะทำให้แน่ใจว่า op-amps ทำงานภายในช่วงเชิงเส้นเมื่อทดสอบวงจรด้วยสัญญาณใกล้ 20 mV เช่น เป็นค่าต่ำสุดในเครื่องกำเนิดฟังก์ชันบางตัว

ตัวกรองรอยบากจะอยู่ที่ 60 Hz

ตัวกรองความถี่ต่ำจะมีความถี่ตัดที่ 160 Hz สิ่งนี้ควรยังคงจับ QRS คอมเพล็กซ์ส่วนใหญ่และปฏิเสธสัญญาณรบกวนพื้นหลังความถี่สูง

ขั้นตอนที่ 2: เครื่องมือขยายสัญญาณ

แผนผังด้านบนจะอธิบายเกี่ยวกับแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด

เครื่องขยายเสียงมีสองขั้นตอน สเตจแรกประกอบด้วยออปแอมป์สองตัวทางด้านซ้ายของภาพด้านบน และสเตจที่สองประกอบด้วยออปแอมป์ตัวเดียวทางด้านขวา ค่าเกนของแต่ละค่าสามารถปรับได้ตามใจชอบ แต่เราได้ตัดสินใจที่จะสร้างมันขึ้นมาด้วยค่า 670 V/V สามารถทำได้ด้วยค่าความต้านทานดังต่อไปนี้:

R1: 100 โอห์ม

R2: 3300 โอห์ม

R3: 100 โอห์ม

R4: 1,000 โอห์ม

ขั้นตอนที่ 3: Notch Filter

แผนผังด้านบนอธิบายตัวกรองรอยบาก นี่คือตัวกรองที่ทำงานอยู่ ดังนั้นเราจึงสามารถเลือกที่จะทำให้ขยายหรือลดทอนสัญญาณได้หากต้องการ แต่เราได้ขยายสัญญาณที่จำเป็นทั้งหมดแล้ว ดังนั้นเราจึงเลือกเกนหนึ่งสำหรับ op-amp นี้ ความถี่กลางควรเป็น 60 Hz และปัจจัยด้านคุณภาพควรเท่ากับ 8 ซึ่งสามารถทำได้ด้วยค่าส่วนประกอบต่อไปนี้

R1: 503 โอห์ม

R2: 128612 โอห์ม

R3: 503 โอห์ม

C: 0.33 ไมโครฟารัด

ขั้นตอนที่ 4: ตัวกรองความถี่ต่ำ

อีกครั้ง นี่คือตัวกรองแบบแอคทีฟ เราจึงสามารถเลือกอัตราขยายที่ต้องการได้ แต่เราจะเลือก 1 ซึ่งทำได้โดยเปลี่ยน R4 ด้านบนให้เป็นไฟฟ้าลัดวงจร และ R3 เป็นวงจรเปิด ส่วนที่เหลือ เช่นเดียวกับส่วนประกอบอื่นๆ ทำได้โดยใช้ข้อกำหนดที่กำหนดไว้ก่อนหน้านี้ร่วมกับสมการที่ควบคุมวงจรเพื่อให้ได้ค่าองค์ประกอบแต่ละอย่าง:

R1: 12056 โอห์ม

R2: 19873.6 โอห์ม

C1: 0.047 microFarads

C2: 0.1 ไมโครฟารัด

ขั้นตอนที่ 5: ออกแบบวงจรเต็มรูปแบบเสมือนจริง

การออกแบบวงจรในซอฟต์แวร์สร้างวงจรเสมือน เช่น PSPICE นั้นมีประโยชน์มากในการตรวจหาข้อผิดพลาดและทำให้แผนแข็งแกร่ง ก่อนที่จะดำเนินการสร้างวงจรอนาล็อกจริง ณ จุดนี้ เราสามารถจับภาพการกวาดกระแสสลับของวงจรเพื่อให้แน่ใจว่าทุกอย่างทำงานตามแผน

ขั้นตอนที่ 6: สร้างวงจรเต็ม

สามารถสร้างวงจรในแบบที่คุณต้องการ แต่ในกรณีนี้ได้เลือกเขียงหั่นขนม

แนะนำให้ประกอบบนเขียงหั่นขนมเพราะง่ายกว่าการบัดกรี แต่การบัดกรีจะให้ความทนทานมากกว่า แนะนำให้วางตัวเก็บประจุบายพาส 0.1 microFarad ลงกราวด์โดยขนานกับแหล่งพลังงาน เนื่องจากจะช่วยขจัดความเบี่ยงเบนที่ไม่ต้องการจากพลังงานคงที่

ขั้นตอนที่ 7: ส่วนต่อประสานผู้ใช้ LabVIEW

อินเทอร์เฟซผู้ใช้ LabVIEW เป็นวิธีการแปลงจากสัญญาณแอนะล็อกเป็นการแสดงภาพและตัวเลขของสัญญาณ ECG ที่ผู้ใช้ตีความได้ง่าย บอร์ด DAQ ใช้เพื่อแปลงสัญญาณจากแอนะล็อกเป็นดิจิทัล และนำเข้าข้อมูลไปยัง LabVIEW

ซอฟต์แวร์นี้เป็นโปรแกรมแบบออบเจ็กต์ที่ช่วยในการประมวลผลข้อมูลและการสร้างส่วนต่อประสาน ข้อมูลจะถูกแสดงด้วยกราฟก่อน จากนั้นจึงประมวลผลสัญญาณบางอย่างเพื่อกำหนดความถี่ของการเต้นของหัวใจ เพื่อให้สามารถแสดงข้อมูลนั้นถัดจากกราฟได้

เพื่อกำหนดความถี่ของอัตราการเต้นของหัวใจ เราต้องตรวจจับการเต้นของหัวใจ สิ่งนี้สามารถทำได้ด้วยวัตถุการตรวจจับสูงสุดของ Lab VIEW ออบเจ็กต์จะแสดงดัชนีของพีคในอาร์เรย์ข้อมูลที่ได้รับ ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการคำนวณเพื่อกำหนดเวลาที่ผ่านระหว่างฮาร์ตบีตได้

เนื่องจากรายละเอียด LabVIEW จะเป็น Instructable ที่แตกต่างกันทั้งหมด เราจะปล่อยให้รายละเอียดนั้นไปยังแหล่งอื่น การทำงานที่แน่นอนของโปรแกรมสามารถเห็นได้ในแผนภาพบล็อกที่แสดงด้านบน

ขั้นตอนที่ 8: ส่วนต่อประสานผู้ใช้ขั้นสุดท้ายของ LabVIEW

อินเทอร์เฟซผู้ใช้ขั้นสุดท้ายแสดงสัญญาณขยาย กรอง แปลง และประมวลผล พร้อมกับการอ่านค่าความถี่หัวใจเป็นจังหวะต่อนาที