วิธีสร้าง ECG และเครื่องวัดอัตราการเต้นของหัวใจ: 6 ขั้นตอน

2025 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2025-01-23 15:12

คลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG) วัดกิจกรรมทางไฟฟ้าของการเต้นของหัวใจเพื่อแสดงว่าหัวใจเต้นเร็วแค่ไหนและจังหวะของมัน มีแรงกระตุ้นไฟฟ้าหรือที่เรียกว่าคลื่นที่เดินทางผ่านหัวใจเพื่อให้กล้ามเนื้อหัวใจสูบฉีดเลือดในแต่ละครั้ง หัวใจห้องบนขวาและซ้ายสร้างคลื่น P แรก และช่องล่างขวาและล่างซ้ายสร้าง QRS คอมเพล็กซ์ คลื่น T สุดท้ายมาจากการกู้คืนด้วยไฟฟ้าสู่สถานะพัก แพทย์ใช้สัญญาณ ECG ในการวินิจฉัยภาวะหัวใจ ดังนั้นการได้ภาพที่ชัดเจนจึงเป็นสิ่งสำคัญ

เป้าหมายของคำแนะนำนี้คือการรับและกรองสัญญาณคลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG) โดยการรวมเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือ ตัวกรองรอยบาก และตัวกรองความถี่ต่ำผ่านในวงจร จากนั้นสัญญาณจะผ่านตัวแปลง A/D ไปยัง LabView เพื่อสร้างกราฟแบบเรียลไทม์และการเต้นของหัวใจใน BPM

"นี่ไม่ใช่อุปกรณ์ทางการแพทย์ แต่มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาโดยใช้สัญญาณจำลองเท่านั้น หากใช้วงจรนี้สำหรับการวัด ECG จริง โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรและการเชื่อมต่อระหว่างวงจรกับเครื่องมือใช้เทคนิคการแยกที่เหมาะสม"

ขั้นตอนที่ 1: ออกแบบเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือ

ในการสร้างแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด เราต้องการออปแอมป์ 3 ตัวและตัวต้านทานที่แตกต่างกัน 4 ตัว แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดจะเพิ่มเกนของคลื่นเอาท์พุต สำหรับการออกแบบนี้ เรามุ่งเป้าไปที่เกน 1000V เพื่อรับสัญญาณที่ดี ใช้สมการต่อไปนี้เพื่อคำนวณตัวต้านทานที่เหมาะสมโดยที่ K1 และ K2 เป็นค่าเกน

ด่าน 1: K1 = 1 + (2R2/R1)

ด่าน 2: K2 = -(R4/R3)

สำหรับการออกแบบนี้ R1 = 20.02Ω, R2 = R4 = 10kΩ, R3 = 10Ωถูกใช้

ขั้นตอนที่ 2: ออกแบบ Notch Filter

ประการที่สอง เราต้องสร้างตัวกรองรอยบากโดยใช้ออปแอมป์ ตัวต้านทาน และตัวเก็บประจุ ส่วนประกอบนี้มีจุดประสงค์เพื่อกรองสัญญาณรบกวนที่ 60 Hz เราต้องการกรองที่ 60 Hz อย่างแม่นยำ ดังนั้นทุกอย่างที่อยู่ด้านล่างและเหนือความถี่นี้จะผ่านไป แต่แอมพลิจูดของรูปคลื่นจะต่ำที่สุดที่ 60 Hz ในการกำหนดพารามิเตอร์ของตัวกรอง เราใช้อัตราขยาย 1 และปัจจัยด้านคุณภาพเท่ากับ 8 ใช้สมการด้านล่างเพื่อคำนวณค่าตัวต้านทานที่เหมาะสม Q คือปัจจัยด้านคุณภาพ w = 2*pi*f, f คือความถี่กลาง (Hz), B คือแบนด์วิดท์ (rad/วินาที) และ wc1 และ wc2 คือความถี่ตัด (rad/วินาที)

R1 = 1/(2QwC)

R2 = 2Q/(wC)

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

Q = w/B

B = wc2 - wc1

ขั้นตอนที่ 3: ออกแบบ Low-pass Filter

จุดประสงค์ของส่วนประกอบนี้คือเพื่อกรองความถี่ที่อยู่เหนือความถี่ตัดผ่าน (wc) โดยพื้นฐานแล้วจะไม่อนุญาตให้ผ่าน เราตัดสินใจกรองที่ความถี่ 250 Hz เพื่อหลีกเลี่ยงการตัดใกล้กับความถี่เฉลี่ยที่ใช้ในการวัดสัญญาณ ECG (150 Hz) มากเกินไป ในการคำนวณค่าที่เราจะใช้สำหรับองค์ประกอบนี้ เราจะใช้สมการต่อไปนี้:

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

C2 = 10/ความถี่ตัด (Hz)

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

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

เราจะตั้งค่าเกนเป็น 1 ดังนั้น R3 จะกลายเป็นวงจรเปิด (ไม่มีตัวต้านทาน) และ R4 จะกลายเป็นไฟฟ้าลัดวงจร (แค่ลวด)

ขั้นตอนที่ 4: ทดสอบวงจร

จะมีการกวาดกระแสสลับสำหรับแต่ละส่วนประกอบเพื่อกำหนดประสิทธิภาพของตัวกรอง การกวาดกระแสสลับจะวัดขนาดของส่วนประกอบที่ความถี่ต่างกัน คุณคาดว่าจะเห็นรูปร่างที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับส่วนประกอบ ความสำคัญของการกวาดกระแสสลับคือการทำให้แน่ใจว่าวงจรทำงานอย่างถูกต้องเมื่อสร้างเสร็จ เพื่อทำการทดสอบนี้ในห้องปฏิบัติการ เพียงแค่บันทึก Vout/Vin ที่ช่วงความถี่ต่างๆ สำหรับแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด เราได้ทดสอบตั้งแต่ 50 ถึง 1,000 Hz เพื่อให้ได้ช่วงกว้าง สำหรับตัวกรองรอยบาก เราทดสอบตั้งแต่ 10 ถึง 90 Hz เพื่อทำความเข้าใจว่าส่วนประกอบตอบสนองอย่างไรในช่วง 60 Hz สำหรับตัวกรองความถี่ต่ำ เราทดสอบตั้งแต่ 50 ถึง 500 Hz เพื่อทำความเข้าใจว่าวงจรมีปฏิกิริยาอย่างไรเมื่อมันควรจะผ่านและเมื่อใดที่มันควรจะหยุด

ขั้นตอนที่ 5: วงจร ECG บน LabView

ถัดไป คุณต้องการสร้างบล็อกไดอะแกรมใน LabView ที่จำลองสัญญาณ ECG ผ่านตัวแปลง A/D แล้วแปลงสัญญาณบนคอมพิวเตอร์ เราเริ่มต้นด้วยการตั้งค่าพารามิเตอร์ของสัญญาณบอร์ด DAQ โดยกำหนดอัตราการเต้นของหัวใจเฉลี่ยที่เราคาดหวัง เราเลือก 60 ครั้งต่อนาที จากนั้นใช้ความถี่ 1kHz เราสามารถระบุได้ว่าเราต้องแสดงประมาณ 3 วินาทีเพื่อให้ได้ค่า ECG สูงสุด 2-3 จุดในแผนภาพรูปคลื่น เราแสดงเวลา 4 วินาทีเพื่อให้แน่ใจว่าเราจับจุดสูงสุดของ ECG ได้เพียงพอ บล็อกไดอะแกรมจะอ่านสัญญาณที่เข้ามาและใช้การตรวจจับจุดสูงสุดเพื่อกำหนดความถี่ที่หัวใจเต้นเต็มที่

ขั้นตอนที่ 6: ECG และอัตราการเต้นของหัวใจ

การใช้รหัสจากแผนภาพบล็อก ECG จะปรากฏในกล่องรูปคลื่น และจะแสดงจังหวะต่อนาทีอยู่ข้างๆ ตอนนี้คุณมีเครื่องวัดอัตราการเต้นของหัวใจแล้ว! หากต้องการท้าทายตัวเองให้มากขึ้น ลองใช้วงจรและอิเล็กโทรดเพื่อแสดงอัตราการเต้นของหัวใจแบบเรียลไทม์!