ECG และเครื่องวัดอัตราการเต้นของหัวใจ: 7 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

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

ข้อสังเกต: นี่ไม่ใช่อุปกรณ์ทางการแพทย์ นี่เป็นเพื่อการศึกษาโดยใช้สัญญาณจำลองเท่านั้น หากใช้วงจรนี้สำหรับการวัด ECG จริง โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรและการเชื่อมต่อระหว่างวงจรกับเครื่องมือใช้เทคนิคการแยกที่เหมาะสม

หนึ่งในเครื่องมือวินิจฉัยที่สำคัญที่สุดที่ใช้ในการตรวจหาสภาวะเหล่านี้คือการตรวจคลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG) คลื่นไฟฟ้าหัวใจทำงานโดยการติดตามแรงกระตุ้นไฟฟ้าผ่านหัวใจของคุณและส่งกลับไปยังเครื่อง [1] สัญญาณถูกหยิบขึ้นมาจากอิเล็กโทรดที่วางอยู่บนร่างกาย ตำแหน่งของอิเล็กโทรดมีความสำคัญต่อการรับสัญญาณทางสรีรวิทยา เนื่องจากทำงานโดยการบันทึกความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าทั่วร่างกาย ตำแหน่งมาตรฐานของอิเล็กโทรดคือการใช้ Einthoven Triangle นี่คือตำแหน่งที่วางอิเล็กโทรดหนึ่งตัวที่แขนขวา แขนซ้าย และขาซ้าย ขาซ้ายทำหน้าที่เป็นกราวด์สำหรับอิเล็กโทรดและรับเสียงความถี่ในร่างกาย แขนข้างขวามีขั้วไฟฟ้าลบ และด้านซ้ายมีขั้วไฟฟ้าบวกเพื่อคำนวณความต่างศักย์ทั่วหน้าอก ดังนั้นจึงรับพลังงานไฟฟ้าจากหัวใจ [2] วัตถุประสงค์ของโครงการนี้คือการสร้างอุปกรณ์ที่สามารถรับพลังงานได้สำเร็จ สัญญาณ ECG และสร้างสัญญาณได้อย่างชัดเจนโดยไม่มีสัญญาณรบกวน และเพิ่มการวัดอัตราการเต้นของหัวใจ

ขั้นตอนที่ 1: วัสดุและเครื่องมือ

• ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุต่างๆ
• เขียงหั่นขนม
• เครื่องกำเนิดฟังก์ชัน
• ออสซิลโลสโคป
• แหล่งจ่ายไฟ DC
• ออปแอมป์
• คอมพิวเตอร์ที่ติดตั้ง LABView
• สาย BNC
• ผู้ช่วย DAQ

ขั้นตอนที่ 2: สร้างเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือ

เพื่อที่จะขยายสัญญาณไบโออิเล็กทริกอย่างเพียงพอ อัตราขยายโดยรวมของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดสองขั้นตอนควรเป็น 1,000 แต่ละสเตจจะถูกคูณเพื่อให้ได้เกนโดยรวมและสมการที่ใช้คำนวณแต่ละสเตจแสดงไว้ด้านล่าง

ขั้นที่ 1 กำไร: K1=1+2*R2/R1 ขั้นที่ 2 กำไร: K2= -R4/R3

จากสมการข้างต้น ค่าความต้านทานที่เราใช้คือ R1 = 10kΩ, R2 = 150kΩ, R3 = 10kΩ และ R4 = 33kΩ เพื่อให้แน่ใจว่าค่าเหล่านี้จะให้ผลลัพธ์ที่ต้องการ คุณสามารถจำลองแบบออนไลน์หรือทดสอบโดยใช้ออสซิลโลสโคปหลังจากสร้างเครื่องขยายเสียงจริง

หลังจากเชื่อมต่อตัวต้านทานที่เลือกและ op-amps ใน breadboard แล้ว คุณจะต้องจ่ายไฟให้กับ op-amps ±15V จากแหล่งจ่ายไฟ DC ถัดไป เชื่อมต่อเครื่องกำเนิดฟังก์ชันกับอินพุตของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดและออสซิลโลสโคปกับเอาต์พุต

ภาพด้านบนแสดงแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดที่เสร็จสมบูรณ์จะมีลักษณะเหมือนในเขียงหั่นขนม เพื่อตรวจสอบว่ามันทำงานอย่างถูกต้องหรือไม่ ให้ตั้งค่าตัวสร้างฟังก์ชันให้สร้างคลื่นไซน์ที่ 1kHz โดยมีแอมพลิจูดสูงสุดถึง 20 mV เอาต์พุตจากแอมพลิฟายเออร์บนออสซิลโลสโคปควรมีแอมพลิจูดสูงสุดถึง 20 V เนื่องจากมีอัตราขยาย 1,000 หากทำงานอย่างถูกต้อง

ขั้นตอนที่ 3: สร้าง Notch Filter

เนื่องจากสัญญาณรบกวนจากสายไฟ จำเป็นต้องมีตัวกรองเพื่อกรองสัญญาณรบกวนที่ 60Hz ซึ่งเป็นสัญญาณรบกวนของสายไฟในสหรัฐอเมริกา ใช้ตัวกรองรอยบากเนื่องจากกรองความถี่เฉพาะ สมการต่อไปนี้ถูกใช้ในการคำนวณค่าความต้านทาน ปัจจัยเชิงคุณภาพ (Q) ที่ 8 ทำงานได้ดีและเลือกค่าตัวเก็บประจุ 0.1uF เพื่อความสะดวกในการก่อสร้าง ความถี่ในสมการ (แสดงเป็น w) คือความถี่รอย 60Hz คูณด้วย2π

R1=1/(2QwC)

R2=2Q/(wC)

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

จากสมการข้างต้น ค่าความต้านทานที่เราใช้คือ R1=1.5kΩ, R2=470kΩ และ R3=1.5kΩ เพื่อให้แน่ใจว่าค่าเหล่านี้จะให้ผลลัพธ์ที่ต้องการ คุณสามารถจำลองแบบออนไลน์หรือทดสอบโดยใช้ออสซิลโลสโคปหลังจากสร้างเครื่องขยายเสียงจริง

ภาพด้านบนแสดงให้เห็นว่าตัวกรองรอยบากที่เสร็จสมบูรณ์จะมีลักษณะอย่างไรในเขียงหั่นขนม การตั้งค่าสำหรับ op-amps จะเหมือนกับเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือ และตอนนี้เครื่องกำเนิดฟังก์ชันควรตั้งค่าให้สร้างคลื่นไซน์ที่ 1kHz โดยมีแอมพลิจูดสูงสุดถึง 1V หากคุณดำเนินการ AC Sweep คุณควรจะสามารถตรวจสอบว่าความถี่รอบ 60Hz ถูกกรองออก

ขั้นตอนที่ 4: สร้างตัวกรองความถี่ต่ำ

เพื่อกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูงที่ไม่เกี่ยวข้องกับคลื่นไฟฟ้าหัวใจออก ตัวกรองความถี่ต่ำผ่านถูกสร้างขึ้นด้วยความถี่ตัด 150 Hz

R1=2/(w[aC2+sqrt(a2+4b(K-1))C2^2-4b*C1*C2)

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

R3=K(R1+R2)/(K-1)

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

R4=K(R1+R2)

จากสมการข้างต้น ค่าตัวต้านทานที่เราใช้คือ R1 = 12kΩ, R2 = 135kΩ, C1 = 0.01 µF และ C2 = 0.068 µF ค่าสำหรับ R3 และ R4 กลายเป็นศูนย์เนื่องจากเราต้องการให้เกน K ของตัวกรองเป็นศูนย์ ดังนั้นเราจึงใช้สายไฟแทนตัวต้านทานในการตั้งค่าทางกายภาพ เพื่อให้แน่ใจว่าค่าเหล่านี้จะให้ผลลัพธ์ที่ต้องการ คุณสามารถจำลองแบบออนไลน์หรือทดสอบโดยใช้ออสซิลโลสโคปหลังจากสร้างเครื่องขยายเสียงจริง

ในการสร้างฟิสิคัลฟิลเตอร์ ให้เชื่อมต่อตัวต้านทานและตัวเก็บประจุที่เลือกกับ op-amp ตามที่แสดงในแผนผัง จ่ายไฟให้ op-amp และเชื่อมต่อเครื่องกำเนิดฟังก์ชันและออสซิลโลสโคปในลักษณะเดียวกับที่อธิบายไว้ในขั้นตอนก่อนหน้า ตั้งค่าตัวสร้างฟังก์ชันให้สร้างคลื่นไซน์ที่ 150Hz และด้วยแอมพลิจูดสูงสุดถึงจุดสูงสุดประมาณ 1 V เนื่องจาก 150Hz ควรเป็นความถี่คัทออฟ หากตัวกรองทำงานอย่างถูกต้อง ขนาดควรเป็น 3dB ที่ความถี่นี้ สิ่งนี้จะบอกคุณว่าตัวกรองได้รับการตั้งค่าอย่างถูกต้องหรือไม่

ขั้นตอนที่ 5: เชื่อมต่อส่วนประกอบทั้งหมดเข้าด้วยกัน

หลังจากสร้างส่วนประกอบแต่ละรายการและทดสอบแยกกันแล้ว ส่วนประกอบทั้งหมดสามารถเชื่อมต่อเป็นชุดได้ เชื่อมต่อตัวสร้างฟังก์ชันกับอินพุตของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด จากนั้นเชื่อมต่อเอาต์พุตของตัวสร้างฟังก์ชันนั้นกับอินพุตของตัวกรองรอยบาก ทำสิ่งนี้อีกครั้งโดยเชื่อมต่อเอาต์พุตของฟิลเตอร์บากกับอินพุตของฟิลเตอร์โลว์พาส เอาต์พุตของตัวกรองความถี่ต่ำผ่านควรเชื่อมต่อกับออสซิลโลสโคป

ขั้นตอนที่ 6: ตั้งค่า LabVIEW

จากนั้นบันทึกรูปคลื่นของการเต้นของหัวใจ ECG โดยใช้ผู้ช่วย DAQ และ LabView ตัวช่วย DAQ จะรับสัญญาณแอนะล็อกและกำหนดพารามิเตอร์การสุ่มตัวอย่าง เชื่อมต่อตัวช่วย DAQ กับเครื่องกำเนิดฟังก์ชันที่ส่งสัญญาณหัวใจ arb และไปยังคอมพิวเตอร์ด้วย LabView ตั้งค่า LabView ตามแผนผังที่แสดงด้านบน ตัวช่วย DAQ จะนำคลื่นหัวใจจากเครื่องกำเนิดฟังก์ชันเข้ามา เพิ่มกราฟรูปคลื่นในการตั้งค่า LabView ของคุณด้วยเพื่อดูกราฟ ใช้ตัวดำเนินการตัวเลขเพื่อกำหนดขีดจำกัดสำหรับค่าสูงสุด ในแผนผังแสดง 80% ถูกใช้ การวิเคราะห์พีคควรใช้เพื่อค้นหาตำแหน่งพีคและเชื่อมโยงกับการเปลี่ยนแปลงในเวลา คูณความถี่สูงสุดด้วย 60 เพื่อคำนวณการเต้นต่อนาที และตัวเลขนี้ถูกส่งออกถัดจากกราฟ

ขั้นตอนที่ 7: คุณสามารถบันทึก ECG ได้แล้ว

[1] “คลื่นไฟฟ้าหัวใจ - Texas Heart Institute Heart Information Center” [ออนไลน์]. ที่มา: https://www.texasheart.org/HIC/Topics/Diag/diekg.cfm [เข้าถึง: 09-ธ.ค. 2017].

[2] “ECG Leads, ขั้วและสามเหลี่ยมของ Einthoven – นักสรีรวิทยาของนักเรียน” [ออนไลน์]. พร้อมใช้งาน: https://thephysiologist.org/study-materials/the-ecg-leads-polarity-and-eithovens-triangle/ [เข้าถึง: 10-ธ.ค. 2560].