การบันทึกสัญญาณไบโออิเล็กทริก: ECG และ Heart Rate Monitor: 7 ขั้นตอน

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

ข้อสังเกต: นี่ไม่ใช่อุปกรณ์ทางการแพทย์ นี่เป็นเพื่อการศึกษาโดยใช้สัญญาณจำลองเท่านั้น หากใช้วงจรนี้สำหรับการวัด ECG จริง โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรและการเชื่อมต่อระหว่างวงจรกับเครื่องมือใช้เทคนิคการแยกที่เหมาะสม

คลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG) คือการทดสอบโดยวางอิเล็กโทรดบนพื้นผิวบนวัตถุในลักษณะที่กำหนดเพื่อตรวจจับและวัดกิจกรรมทางไฟฟ้าของหัวใจของอาสาสมัคร [1] คลื่นไฟฟ้าหัวใจมีประโยชน์หลายอย่างและสามารถช่วยในการวินิจฉัยภาวะหัวใจ การทดสอบความเครียด และการสังเกตในระหว่างการผ่าตัด คลื่นไฟฟ้าหัวใจยังสามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของการเต้นของหัวใจ ภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะ หัวใจวาย และประสบการณ์และโรคอื่นๆ อีกมากมาย [1] ที่อธิบายไว้ในคำชี้แจงปัญหาข้างต้น สัญญาณการเต้นของหัวใจที่วัดโดย ECG จะสร้างรูปคลื่นที่แตกต่างกันสามแบบซึ่งแสดงถึงการป้อนสดของหัวใจที่ทำงานอยู่ ซึ่งแสดงในภาพด้านบน

โครงงานนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อสร้างอุปกรณ์ที่สามารถรับสัญญาณ ECG จากเครื่องกำเนิดสัญญาณเอาท์พุตหรือมนุษย์และทำซ้ำสัญญาณในขณะที่ขจัดเสียงรบกวน ผลลัพธ์ของระบบจะคำนวณ BPM ด้วย

มาเริ่มกันเลย!

ขั้นตอนที่ 1: รวบรวมวัสดุทั้งหมด

ในการสร้าง ECG นี้ เราจะสร้างระบบที่ประกอบด้วยสองส่วนหลัก คือ วงจรและระบบ LabVIEW จุดประสงค์ของวงจรคือเพื่อให้แน่ใจว่าเราได้รับสัญญาณที่เราต้องการ มีเสียงรบกวนรอบข้างจำนวนมากที่สามารถกลบสัญญาณ ECG ของเราได้ เราจึงต้องขยายสัญญาณและกรองสัญญาณรบกวนออก หลังจากที่กรองและขยายสัญญาณผ่านวงจรแล้ว เราก็สามารถส่งสัญญาณที่กลั่นแล้วไปยังโปรแกรม LabVIEW ซึ่งจะแสดงรูปคลื่นพร้อมทั้งคำนวณ BPM วัสดุต่อไปนี้จำเป็นสำหรับโครงการนี้:

-ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน (ใช้ op-amps - UA741) ส่วนประกอบทางไฟฟ้า

-เขียงหั่นขนมแบบไม่มีบัดกรีสำหรับการสร้างและการทดสอบ

- แหล่งจ่ายไฟ DC เพื่อจ่ายไฟให้กับ op-amps

-Function เครื่องกำเนิดสัญญาณไฟฟ้าชีวภาพ

-Oscilloscope เพื่อดูสัญญาณเข้า

-DAQ บอร์ดแปลงสัญญาณจากอนาล็อกเป็นดิจิตอล

ซอฟต์แวร์ -LabVIEW สำหรับการสังเกตสัญญาณเอาต์พุต

-BNC และสายปลายแบบปรับได้

ขั้นตอนที่ 2: การออกแบบวงจร

ดังที่เราได้กล่าวไปแล้ว จำเป็นต้องกรองและขยายสัญญาณของเรา ในการทำเช่นนี้ เราสามารถตั้งค่าวงจรของเราได้ 3 ระยะ อันดับแรก เราต้องขยายสัญญาณของเรา ซึ่งสามารถทำได้โดยใช้เครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด ด้วยวิธีนี้ สัญญาณอินพุตของเราจะมองเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้นในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย เราจำเป็นต้องมีตัวกรองรอยบากแบบอนุกรมกับแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดนี้ ตัวกรองรอยบากจะใช้เพื่อขจัดเสียงรบกวนจากแหล่งพลังงานของเรา หลังจากนั้นเราสามารถมีตัวกรองความถี่ต่ำได้ เนื่องจากการอ่าน ECG มักใช้ความถี่ต่ำ เราจึงต้องการตัดความถี่ทั้งหมดที่อยู่นอกขอบเขตการอ่าน ECG ออก เราจึงใช้ตัวกรองความถี่ต่ำ ขั้นตอนเหล่านี้จะอธิบายรายละเอียดเพิ่มเติมในขั้นตอนต่อไปนี้

หากคุณกำลังมีปัญหากับวงจรของคุณ เป็นการดีที่สุดที่จะจำลองวงจรของคุณในโปรแกรมออนไลน์ ด้วยวิธีนี้ คุณสามารถตรวจสอบเพื่อดูว่าการคำนวณค่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุของคุณถูกต้องหรือไม่

ขั้นตอนที่ 3: การออกแบบเครื่องขยายเสียงเครื่องมือ

ในการสังเกตสัญญาณไฟฟ้าชีวภาพอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น จำเป็นต้องขยายสัญญาณ สำหรับโครงการนี้ เพื่อให้ได้มาซึ่งโดยรวมคือ 1,000 V/V เพื่อให้ได้ค่าเกนที่ระบุจากแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด ค่าความต้านทานสำหรับวงจรถูกคำนวณโดยสมการต่อไปนี้:

(ด่าน 1) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(ระยะที่ 2) K2 = -R4 / R3

โดยที่แต่ละขั้นตอนจะถูกคูณเพื่อคำนวณกำไรโดยรวม ค่าตัวต้านทานที่เลือกเพื่อสร้างเกน 1000 V/V คือ R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms และ R4 = 330 kOhms ใช้แหล่งจ่ายไฟ DC เพื่อให้ช่วงแรงดันไฟฟ้า +/- 15 V (รักษาขีดจำกัดกระแสไฟให้ต่ำ) เพื่อจ่ายไฟให้กับออปแอมป์ของวงจรกายภาพ หากคุณต้องการตรวจสอบค่าที่แท้จริงของตัวต้านทาน หรือต้องการให้ได้เกนนี้ก่อนสร้าง คุณสามารถจำลองวงจรโดยใช้โปรแกรมเช่น PSpice หรือ CircuitLab ออนไลน์ หรือใช้ออสซิลโลสโคปกับแรงดันสัญญาณอินพุตที่กำหนดและตรวจสอบค่าจริง ได้รับหลังจากสร้างเครื่องขยายเสียงทางกายภาพ เชื่อมต่อเครื่องกำเนิดฟังก์ชันและออสซิลโลสโคปกับแอมพลิฟายเออร์เพื่อรันวงจร

ภาพด้านบนแสดงลักษณะของวงจรในซอฟต์แวร์จำลอง PSpice ในการตรวจสอบว่าวงจรของคุณทำงานอย่างถูกต้อง ให้จ่ายคลื่นไซน์จากยอดถึงยอด 1 kHz 10 mV จากเครื่องกำเนิดฟังก์ชัน ผ่านวงจร และไปยังออสซิลโลสโคป ควรสังเกตคลื่นไซน์จากยอดถึงยอด 10 โวลต์บนออสซิลโลสโคป

ขั้นตอนที่ 4: การออกแบบ Notch Filter

ปัญหาเฉพาะเมื่อต้องรับมือกับวงจรนี้คือสัญญาณเสียง 60 Hz ผลิตโดยสายจ่ายไฟในสหรัฐอเมริกา ในการลบสัญญาณรบกวนนี้ สัญญาณอินพุตในวงจรจะต้องถูกกรองที่ 60 Hz และจะมีวิธีใดที่จะดีไปกว่าการกรองด้วยรอยบาก!

ตัวกรองรอยบาก (วงจรที่แสดงด้านบน) เป็นตัวกรองไฟฟ้าบางประเภทที่สามารถใช้เพื่อลบความถี่เฉพาะออกจากสัญญาณ ในการลบสัญญาณ 60 Hz เราคำนวณสมการต่อไปนี้:

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

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

Q = w / B

B = w2 - w1

ใช้ปัจจัยด้านคุณภาพ (Q) เท่ากับ 8 เพื่อออกแบบตัวกรองที่แม่นยำอย่างเหมาะสม ความจุ (C) 0.033 uFarads เพื่อการประกอบที่ง่ายขึ้น และความถี่กลาง (w) 2 * pi * 60 Hz ค่านี้คำนวณได้สำเร็จสำหรับตัวต้านทาน R1 = 5.024 kOhms, R2 = 1.2861 MOhms และ R3 = 5.004 kOhms และสร้างตัวกรองเพื่อลบความถี่ 60 Hz ออกจากสัญญาณไบโออิเล็กทริกอินพุตได้สำเร็จ หากคุณต้องการตรวจสอบตัวกรอง คุณสามารถจำลองวงจรโดยใช้โปรแกรมเช่น PSpice หรือ CircuitLab ออนไลน์ หรือใช้ออสซิลโลสโคปกับแรงดันสัญญาณอินพุตที่กำหนด และตรวจสอบสัญญาณที่ถูกลบออกหลังจากสร้างเครื่องขยายเสียงจริง เชื่อมต่อเครื่องกำเนิดฟังก์ชันและออสซิลโลสโคปกับแอมพลิฟายเออร์เพื่อรันวงจร

การดำเนินการกวาดกระแสสลับด้วยวงจรนี้ในช่วงความถี่ตั้งแต่ 1 Hz ถึง 1 kHz ที่สัญญาณสูงสุดถึงจุดสูงสุด 1 V ควรให้คุณสมบัติประเภท "รอยบาก" ที่ 60 Hz ในแผนภาพเอาต์พุต ซึ่งจะถูกลบออกจากอินพุต สัญญาณ.

ขั้นตอนที่ 5: การออกแบบตัวกรองความถี่ต่ำ

ขั้นตอนสุดท้ายของวงจรคือตัวกรองความถี่ต่ำ โดยเฉพาะตัวกรองความถี่ต่ำผ่าน Butterworth ลำดับที่สอง ใช้เพื่อแยกสัญญาณ ECG ของเรา รูปคลื่น ECG มักจะอยู่ภายในขอบเขตความถี่ 0 ถึง ~ 100 Hz ดังนั้นเราจึงคำนวณค่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุตามความถี่คัตออฟที่ 100 Hz และปัจจัยด้านคุณภาพเท่ากับ 8 ซึ่งจะทำให้ฟิลเตอร์มีความแม่นยำ

R1=2/(w[aC2+sqrt(a2+4b(K-1)))

C2^2-4b*C1*C2) R2=1/(b*C1*C2*R1*w^2)

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

ค่าที่เราคำนวณได้คือ R1 = 81.723kOhms, R2 = 120.92kOHms, C1 = 0.1 microFarads และ C2 = 0.045 microFarads จ่ายไฟให้กับออปแอมป์ด้วยแรงดัน DC + และ - 15V หากคุณต้องการตรวจสอบตัวกรอง คุณสามารถจำลองวงจรโดยใช้โปรแกรมเช่น PSpice หรือ CircuitLab ออนไลน์ หรือใช้ออสซิลโลสโคปกับแรงดันสัญญาณอินพุตที่กำหนด และตรวจสอบสัญญาณที่ถูกลบออกหลังจากสร้างเครื่องขยายเสียงจริง เชื่อมต่อเครื่องกำเนิดฟังก์ชันและออสซิลโลสโคปกับแอมพลิฟายเออร์เพื่อรันวงจร ที่ความถี่คัทออฟ คุณควรเห็นขนาด -3 dB นี่แสดงว่าวงจรของคุณทำงานอย่างถูกต้อง

ขั้นตอนที่ 6: การตั้งค่า LabVIEW

เมื่อสร้างวงจรแล้ว เราต้องการที่จะตีความสัญญาณของเราได้ ในการทำเช่นนี้ เราสามารถใช้ LabVIEW สามารถใช้ผู้ช่วย DAQ เพื่อรับสัญญาณจากวงจร หลังจากเปิด LabVIEW แล้ว ให้ตั้งค่าวงจรดังแสดงในแผนภาพด้านบน ตัวช่วย DAQ จะอ่านค่าอินพุตนี้จากวงจรและสัญญาณจะไปยังกราฟรูปคลื่น นี้จะช่วยให้คุณเห็นรูปคลื่น ECG!

ต่อไปเราต้องการคำนวณ BPM การตั้งค่าด้านบนจะทำเพื่อคุณ โปรแกรมทำงานโดยหาค่าสูงสุดของสัญญาณ ECG ที่เข้ามาก่อน ค่าเกณฑ์ช่วยให้เราตรวจพบค่าใหม่ทั้งหมดที่เข้ามาถึงเปอร์เซ็นต์ของค่าสูงสุดของเรา (ในกรณีนี้คือ 90%) ตำแหน่งของค่าเหล่านี้จะถูกส่งไปยังอาร์เรย์การจัดทำดัชนี เนื่องจากการสร้างดัชนีเริ่มต้นที่ 0 เราจึงต้องการนำจุดที่ 0 และ 1 มาคำนวณการเปลี่ยนแปลงของเวลาระหว่างจุดทั้งสอง สิ่งนี้ทำให้เรามีเวลาระหว่างจังหวะ จากนั้นเราจะอนุมานข้อมูลนั้นเพื่อค้นหา BPM โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ทำได้โดยการคูณเอาท์พุตจากอิลิเมนต์ dt และเอาท์พุตของการลบระหว่างสองค่าในอาร์เรย์การจัดทำดัชนี แล้วหารด้วย 60 (เนื่องจากเรากำลังแปลงเป็นนาที)

ขั้นตอนที่ 7: เชื่อมต่อทั้งหมดและทดสอบ

ต่อวงจรเข้ากับอินพุตของบอร์ด DAQ ตอนนี้สัญญาณที่คุณป้อนจะผ่านวงจรไปยังบอร์ด DAQ และโปรแกรม LabVIEW จะส่งสัญญาณรูปคลื่นและ BPM ที่คำนวณได้

ยินดีด้วย!