สร้าง ECG ของคุณเอง!: 10 ขั้นตอน

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

นี่ไม่ใช่เครื่องมือแพทย์ นี่เป็นเพื่อการศึกษาโดยใช้สัญญาณจำลองเท่านั้น หากใช้วงจรนี้สำหรับการวัด ECG จริง โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรและการเชื่อมต่อระหว่างวงจรกับเครื่องมือใช้เทคนิคการแยกที่เหมาะสม

การเต้นของหัวใจประกอบด้วยการหดตัวเป็นจังหวะซึ่งควบคุมโดยการนำเสนอที่เกิดขึ้นเองของการสลับขั้วไฟฟ้าใน myocytes ของหัวใจ (เซลล์กล้ามเนื้อของหัวใจ) กิจกรรมทางไฟฟ้าดังกล่าวสามารถตรวจจับได้โดยการวางอิเล็กโทรดสำหรับบันทึกแบบไม่รุกล้ำตามตำแหน่งต่างๆ ของร่างกาย แม้จะมีความเข้าใจเบื้องต้นเกี่ยวกับวงจรและไฟฟ้าชีวภาพ แต่สัญญาณเหล่านี้ก็สามารถจับได้อย่างง่ายดาย ในคำแนะนำนี้ เราขอแนะนำวิธีการแบบง่ายที่สามารถใช้จับสัญญาณคลื่นไฟฟ้าหัวใจด้วยอุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริงและราคาไม่แพง เราจะเน้นย้ำข้อควรพิจารณาที่สำคัญในการรับสัญญาณดังกล่าว และนำเสนอเทคนิคสำหรับการวิเคราะห์สัญญาณแบบเป็นโปรแกรม

ขั้นตอนที่ 1: ภาพรวมของคุณสมบัติ

อุปกรณ์ที่คุณกำลังสร้างจะทำงานผ่านคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

1. การบันทึกอิเล็กโทรด
2. เครื่องขยายเสียงเครื่องมือ
3. ตัวกรองรอย
4. กรองผ่านต่ำ
5. การแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล
6. การวิเคราะห์สัญญาณโดยใช้ LabView

ส่วนประกอบสำคัญบางอย่างที่คุณต้องการ:

1. NI LabView
2. คณะกรรมการเก็บข้อมูล NI (สำหรับอินพุตไปยัง LabView)
3. แหล่งจ่ายไฟ DC (ไปยังเครื่องขยายเสียงในการดำเนินงาน)
4. แผ่นอิเล็กโทรดผิวหนังสำหรับการบันทึกอิเล็กโทรด
5. หรือเครื่องกำเนิดฟังก์ชันที่สามารถสร้างสัญญาณ ECG จำลองได้

มาเริ่มกันเลย!

ขั้นตอนที่ 2: ออกแบบ Low-pass Filter

ECG ปกติมีคุณสมบัติที่สามารถระบุตัวตนได้ในรูปคลื่นของสัญญาณที่เรียกว่าคลื่น P, QRS complex และ T wave คุณลักษณะทั้งหมดของ ECG จะปรากฏในช่วงความถี่ที่ต่ำกว่า 250 Hz ดังนั้น การบันทึกเฉพาะคุณลักษณะที่น่าสนใจเมื่อบันทึก ECG จากอิเล็กโทรดจึงเป็นสิ่งสำคัญ ฟิลเตอร์โลว์พาสที่มีความถี่คัตออฟ 250 Hz จะช่วยให้แน่ใจว่าไม่มีสัญญาณรบกวนความถี่สูงในสัญญาณ

ขั้นตอนที่ 3: ออกแบบ Notch Filter

ตัวกรองรอยบากที่ความถี่ 60 Hz มีประโยชน์ในการขจัดเสียงรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับการบันทึก ECG ความถี่คัตออฟระหว่าง 56.5 Hz ถึง 64 Hz จะช่วยให้สัญญาณที่มีความถี่นอกช่วงนั้นผ่านได้ ใช้ปัจจัยด้านคุณภาพเท่ากับ 8 กับตัวกรอง เลือกความจุ 0.1 uF ตัวต้านทานทดลองถูกเลือกดังนี้: R1=R3=1.5 kOhms, R2=502 kOhms ค่าเหล่านี้ถูกใช้เพื่อสร้างตัวกรองรอยบาก

ขั้นตอนที่ 4: ออกแบบเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือ

แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดที่มีอัตราขยาย 1,000 V/V จะขยายสัญญาณที่กรองทั้งหมดเพื่อให้ง่ายต่อการวัด แอมพลิฟายเออร์ใช้ชุดของแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงานและแบ่งออกเป็นสองขั้นตอน (ซ้ายและขวา) โดยได้รับ K1 และ K2 ตามลำดับ ภาพด้านบนแสดงแผนผังของวงจรที่อาจบรรลุผลนี้และรูปที่ 6 แสดงรายละเอียดการคำนวณที่ทำ

ขั้นตอนที่ 5: เชื่อมต่อทั้งหมดเข้าด้วยกัน

การขยายและการกรองสามขั้นตอนจะรวมกันในรูปที่ 7 ด้านล่าง แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดขยายอินพุตความถี่ไซน์ด้วยอัตราขยาย 1000V/V ถัดไป ตัวกรองรอยบากจะลบความถี่สัญญาณทั้งหมดที่ 60 Hz ด้วยปัจจัยด้านคุณภาพเท่ากับ 8 ในที่สุด สัญญาณจะผ่านตัวกรองความถี่ต่ำซึ่งลดทอนสัญญาณที่เกินความถี่ 250 Hz รูปด้านบนแสดงระบบทั้งหมดที่สร้างขึ้นในการทดลอง

ขั้นตอนที่ 6: …และให้แน่ใจว่ามันใช้ได้ผล

หากคุณมีตัวสร้างฟังก์ชัน คุณควรสร้างเส้นโค้งการตอบสนองความถี่เพื่อให้แน่ใจว่ามีการตอบสนองที่เหมาะสม ภาพด้านบนแสดงทั้งระบบและเส้นโค้งตอบสนองความถี่ที่คุณควรคาดหวัง หากระบบของคุณทำงาน แสดงว่าคุณพร้อมที่จะไปยังขั้นตอนถัดไป: การแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นดิจิทัล!

ขั้นตอนที่ 7: (ไม่บังคับ) เห็นภาพ ECG ของคุณบนออสซิลโลสโคป

ECG บันทึกสัญญาณด้วยอิเล็กโทรดสองขั้วและใช้อิเล็กโทรดที่สามเป็นกราวด์ ด้วยอิเล็กโทรดการบันทึก ECG ของคุณ ให้เสียบอินพุตหนึ่งเข้าของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด อีกอันหนึ่งเข้ากับอินพุตแอมป์เครื่องมือวัดอีกอันหนึ่ง แล้วเชื่อมต่ออันที่สามกับกราวด์บนเขียงหั่นขนมของคุณ ถัดไป วางอิเล็กโทรดหนึ่งอันบนข้อมือข้างหนึ่ง อีกอันบนข้อมืออีกข้างหนึ่ง และกราวด์ที่ข้อเท้าของคุณ นี่คือการกำหนดค่า Lead 1 สำหรับ ECG ในการแสดงภาพสัญญาณบนออสซิลโลสโคปของคุณ ให้ใช้โพรบออสซิลโลสโคปเพื่อวัดเอาต์พุตขั้นที่สามของคุณ

ขั้นตอนที่ 8: รับข้อมูลด้วยเครื่องมือระดับชาติ DAQ

หากคุณต้องการวิเคราะห์สัญญาณใน LabView คุณจะต้องใช้วิธีรวบรวมข้อมูลแอนะล็อกจาก ECG ของคุณและโอนไปยังคอมพิวเตอร์ มีหลายวิธีในการรับข้อมูล! National Instruments เป็นบริษัทที่เชี่ยวชาญด้านอุปกรณ์เก็บข้อมูลและอุปกรณ์วิเคราะห์ข้อมูล เป็นสถานที่ที่ดีในการมองหาเครื่องมือในการรวบรวมข้อมูล คุณยังสามารถซื้อชิปแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลราคาไม่แพง และใช้ Raspberry Pi เพื่อส่งสัญญาณของคุณ! นี่อาจเป็นตัวเลือกที่ถูกกว่า ในกรณีนี้ เรามีโมดูล NI DAQ, NI ADC และ LabView อยู่แล้วในบ้าน ดังนั้นเราจึงยึดติดกับฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ของ National Instruments อย่างเคร่งครัด

ขั้นตอนที่ 9: นำเข้าข้อมูลไปยัง LabVIEW

ภาษาการเขียนโปรแกรมเชิงภาพ LabVIEW ถูกใช้เพื่อวิเคราะห์ข้อมูลที่รวบรวมจากระบบขยาย/กรองแอนะล็อก ข้อมูลถูกรวบรวมจากหน่วย NI DAQ ด้วย DAQ Assistant ซึ่งเป็นฟังก์ชันการรวบรวมข้อมูลในตัวใน LabVIEW เมื่อใช้การควบคุม LabView จำนวนตัวอย่างและระยะเวลาสำหรับการรวบรวมตัวอย่างจะถูกระบุโดยทางโปรแกรม การควบคุมสามารถปรับได้ด้วยตนเอง ทำให้ผู้ใช้สามารถปรับแต่งพารามิเตอร์อินพุตได้อย่างง่ายดาย เมื่อทราบจำนวนตัวอย่างทั้งหมดและระยะเวลาที่ทราบ เวกเตอร์เวลาจะถูกสร้างขึ้นด้วยค่าดัชนีแต่ละค่าที่แสดงเวลาที่สอดคล้องกันในแต่ละตัวอย่างในสัญญาณที่จับได้

ขั้นตอนที่ 10: จัดรูปแบบ วิเคราะห์ และทำเสร็จแล้ว

ข้อมูลจากฟังก์ชันผู้ช่วย DAQ ถูกแปลงเป็นรูปแบบที่ใช้งานได้ สัญญาณถูกสร้างขึ้นใหม่เป็นอาร์เรย์ 1D ของคู่โดยการแปลงประเภทข้อมูลเอาต์พุต DAQ เป็นประเภทข้อมูลรูปคลื่นก่อนแล้วจึงแปลงเป็นคู่ (X, Y) แบบคลัสเตอร์คู่ ค่า Y แต่ละค่าจากคู่ (X, Y) ถูกเลือกและแทรกลงในอาร์เรย์ 1D ว่างเริ่มต้นของ double ด้วยความช่วยเหลือของโครงสร้างการวนซ้ำ อาร์เรย์ 1 มิติของคู่ผสมและเวกเตอร์เวลาที่สอดคล้องกันถูกพล็อตบนกราฟ XY พร้อมกันนั้น ค่าสูงสุดของอาร์เรย์ 1D ของ double จะถูกระบุด้วยฟังก์ชันการระบุค่าสูงสุด ค่าสูงสุดหกในสิบถูกใช้เป็นเกณฑ์สำหรับอัลกอริธึมการตรวจจับจุดสูงสุดในตัวของ LabView ค่าพีคของอาร์เรย์ 1 มิติของคู่แฝดถูกระบุด้วยฟังก์ชันการตรวจจับพีค เมื่อทราบตำแหน่งสูงสุดแล้ว ระบบจะคำนวณความแตกต่างของเวลาระหว่างจุดสูงสุดแต่ละจุด ความแตกต่างของเวลานี้เป็นหน่วยวินาทีต่อพีค ถูกแปลงเป็นพีคต่อนาที ค่าที่ได้จะถือว่าเป็นตัวแทนของอัตราการเต้นของหัวใจเป็นจังหวะต่อนาที

แค่นั้นแหละ! คุณได้รวบรวมและวิเคราะห์สัญญาณ ECG แล้ว!