ECG และจอภาพดิจิตอล Heart Rate: 7 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

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

คลื่นไฟฟ้าหัวใจหรือ ECG เป็นวิธีการวัดและวิเคราะห์สุขภาพหัวใจที่เก่าแก่มาก สัญญาณที่อ่านจาก ECG สามารถบ่งบอกถึงสุขภาพของหัวใจหรือปัญหาต่างๆ การออกแบบที่เชื่อถือได้และแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญ เพราะหากสัญญาณ ECG แสดงรูปคลื่นที่ผิดรูปหรือหัวใจเต้นผิดจังหวะ บุคคลนั้นอาจถูกวินิจฉัยผิดพลาดได้ เป้าหมายคือการออกแบบวงจร ECG ที่สามารถรับ ขยาย และกรองสัญญาณ ECG ได้ จากนั้นแปลงสัญญาณนั้นผ่านตัวแปลง A/D เป็น Labview เพื่อสร้างกราฟแบบเรียลไทม์และการเต้นของหัวใจใน BPM ของสัญญาณ ECG รูปคลื่นเอาต์พุตควรมีลักษณะเหมือนภาพนี้

นี่ไม่ใช่อุปกรณ์ทางการแพทย์ แต่มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาโดยใช้สัญญาณจำลองเท่านั้น หากใช้วงจรนี้สำหรับการวัด ECG จริง โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรและการเชื่อมต่อระหว่างวงจรกับเครื่องมือใช้เทคนิคการแยกที่เหมาะสม

ขั้นตอนที่ 1: การออกแบบวงจร

วงจรจะต้องมีความสามารถในการรับและขยายสัญญาณ ECG ในการทำเช่นนั้น เราจะรวมตัวกรองที่ทำงานอยู่สามตัวเข้าด้วยกัน แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด, ตัวกรอง Butterworth Low-Pass ลำดับที่สองและตัวกรอง Notch การออกแบบวงจรเหล่านี้สามารถเห็นได้ในรูปภาพ เราจะไปทีละคนแล้วเอามารวมกันให้ครบวงจร

ขั้นตอนที่ 2: เครื่องมือขยายสัญญาณ

เกนของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดจะต้องเป็น 1,000 V/V เพื่อที่จะได้รับสัญญาณที่ดี การขยายเสียงผ่านเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัดเกิดขึ้นในสองขั้นตอน ขั้นตอนแรกประกอบด้วย op amp สองตัวทางด้านซ้ายและตัวต้านทาน R1 และ R2 และขั้นตอนที่สองของการขยายประกอบด้วย op amp ทางด้านขวาและตัวต้านทาน R3 และ R4 อัตราขยาย (การขยาย) สำหรับระยะที่ 1 และระยะที่ 2 กำหนดไว้ในสมการ (1) และ (2)

ระยะที่ 1 กำไร: K1 = 1 + (2R2/R1) (1)

ระยะที่ 2 กำไร: K2 = R4/R3 (2)

หมายเหตุสำคัญเกี่ยวกับอัตราขยายในวงจรคือการคูณ เช่น. อัตราขยายของวงจรโดยรวมในรูปที่ 2 คือ K1*K2 สมการเหล่านี้สร้างค่าที่แสดงในแผนผัง วัสดุที่จำเป็นสำหรับตัวกรองนี้คือออปแอมป์ LM741 สามตัว ตัวต้านทาน 1k โอห์มสามตัว ตัวต้านทาน 24.7 kohm สองตัว และตัวต้านทาน 20 kohm สองตัว

ขั้นตอนที่ 3: Notch Filter

ขั้นต่อไปคือ Notch Filter เพื่อตัดเสียงรบกวนที่ 60 Hz ความถี่นี้จำเป็นต้องถูกตัดออกเนื่องจากมีสัญญาณรบกวนพิเศษจำนวนมากที่ 60 Hz เนื่องจากการรบกวนของสายไฟ แต่จะไม่ได้นำสัญญาณ ECG ที่มีนัยสำคัญออกจากสัญญาณ ค่าสำหรับส่วนประกอบที่ใช้ในวงจรจะขึ้นอยู่กับความถี่ที่คุณต้องการกรองออก ในกรณีนี้คือ 60 Hz (377 rad/s) สมการองค์ประกอบมีดังนี้

R1= 1/ (6032*C)

R2= 16 / (377*C)

R3 = (R1R2)/ (R1 + R2)

วัสดุที่จำเป็นสำหรับสิ่งนี้คือ LM741 op amp หนึ่งตัว ตัวต้านทานสามตัวที่มีค่า 1658 ohm, 424.4 kohm และ 1651 ohms และตัวเก็บประจุ 3 ตัวสองตัวที่ 100 nF และอีกหนึ่งตัวที่ 200 nF

ขั้นตอนที่ 4: ตัวกรองความถี่ต่ำ

ขั้นตอนสุดท้ายคือฟิลเตอร์ Second Order Butterworth Low-pass ที่มีความถี่ตัดที่ 250 Hz นี่คือความถี่ตัดเนื่องจากสัญญาณ ECG อยู่ในช่วงสูงสุด 250 Hz เท่านั้น สมการสำหรับค่าของส่วนประกอบในตัวกรองถูกกำหนดในสมการต่อไปนี้:

R1 = 2/ (1571(1.4C2 + sort(1.4^2 * C2^2 - 4C1C2)))

R2 = 1 / (1571*C1*C2*R1)

C1 < (C2 *1.4^2) / 4

วัสดุที่จำเป็นสำหรับตัวกรองนี้คือ op amp LM741 หนึ่งตัว ตัวต้านทานสองตัวที่ 15.3 kohm และ 25.6 kohm และตัวเก็บประจุสองตัวที่ 47 nF และ 22 nF

เมื่อออกแบบและสร้างทั้งสามขั้นตอนแล้ว วงจรสุดท้ายควรมีลักษณะเหมือนภาพถ่าย

ขั้นตอนที่ 5: การทดสอบวงจร

หลังจากสร้างวงจรแล้ว จะต้องมีการทดสอบเพื่อให้แน่ใจว่าวงจรทำงานได้อย่างถูกต้อง จำเป็นต้องมีการกวาดกระแสไฟ AC บนตัวกรองแต่ละตัวโดยใช้สัญญาณอินพุตของหัวใจที่ 1 Hz จากเครื่องกำเนิดแรงดันไฟฟ้า การตอบสนองขนาดเป็น dB ควรมีลักษณะเหมือนภาพ หากผลการกวาดกระแสสลับถูกต้องแสดงว่าวงจรเสร็จสิ้นและพร้อมใช้งาน หากการตอบสนองไม่ถูกต้อง วงจรจะต้องถูกดีบั๊ก เริ่มต้นด้วยการตรวจสอบการเชื่อมต่อและอินพุตพลังงานทั้งหมดเพื่อให้แน่ใจว่าทุกอย่างมีการเชื่อมต่อที่ดี หากวิธีนี้ไม่สามารถแก้ปัญหาได้ ให้ใช้สมการสำหรับส่วนประกอบของตัวกรองเพื่อปรับค่าความต้านทานและตัวเก็บประจุตามต้องการจนกว่าเอาต์พุตจะอยู่ในตำแหน่งที่ควรจะเป็น

ขั้นตอนที่ 6: สร้าง VUI ใน Labview

Labview เป็นซอฟต์แวร์เก็บข้อมูลดิจิทัลที่ช่วยให้ผู้ใช้ออกแบบ VUI หรืออินเทอร์เฟซผู้ใช้เสมือน บอร์ด DAQ คือตัวแปลง A/D ที่สามารถแปลงและส่งสัญญาณ ECG ไปยัง Labview ได้ เมื่อใช้ซอฟต์แวร์นี้ สัญญาณ ECG สามารถพล็อตบนกราฟแอมพลิจูดเทียบกับกราฟเวลาเพื่ออ่านสัญญาณได้อย่างชัดเจนแล้วแปลงสัญญาณเป็นจังหวะการเต้นของหัวใจใน BPM สิ่งแรกที่จำเป็นสำหรับสิ่งนี้คือบอร์ด DAQ ซึ่งรับข้อมูลและแปลงเป็นสัญญาณดิจิตอลเพื่อส่งไปยัง Labview บนคอมพิวเตอร์ สิ่งแรกที่จำเป็นต้องเพิ่มในการออกแบบ Labview คือ DAQ Assistant ซึ่งรับสัญญาณจากบอร์ด DAQ และกำหนดพารามิเตอร์การสุ่มตัวอย่าง ขั้นตอนต่อไปคือการเชื่อมต่อกราฟรูปคลื่นกับเอาต์พุตของตัวช่วย DAQ ในการออกแบบ VUI ซึ่งแปลงสัญญาณ ECG ที่แสดงรูปคลื่น ECG เมื่อกราฟรูปคลื่นเสร็จสมบูรณ์แล้ว ข้อมูลยังต้องถูกแปลงเพื่อสร้างเอาต์พุตที่เป็นตัวเลขของอัตราการเต้นของหัวใจ ขั้นตอนแรกในการคำนวณนี้คือการค้นหาข้อมูล ECG สูงสุดโดยเชื่อมต่อองค์ประกอบ max/min กับเอาต์พุตของข้อมูล DAQ ใน VUI แล้วส่งออกไปยังองค์ประกอบอื่นที่เรียกว่าการตรวจหาพีค และองค์ประกอบที่จะหา เปลี่ยนเวลาที่เรียกว่า dt องค์ประกอบการตรวจจับจุดสูงสุดยังต้องการขีดจำกัดจากค่าสูงสุด/นาที ซึ่งคำนวณโดยการหาค่าสูงสุดจากองค์ประกอบขั้นต่ำสูงสุดแล้วคูณด้วย.8 เพื่อค้นหา 80% ของค่าสูงสุด จากนั้นจึงป้อนลงในองค์ประกอบการตรวจจับจุดสูงสุด เกณฑ์นี้อนุญาตให้องค์ประกอบการตรวจจับพีคสามารถหาค่าสูงสุดของคลื่น R และตำแหน่งที่เกิดค่าสูงสุดในขณะที่ไม่สนใจพีคอื่นๆ ของสัญญาณ จากนั้นตำแหน่งของพีคจะถูกส่งไปยังองค์ประกอบอาร์เรย์ดัชนีที่เพิ่มต่อไปใน VUI องค์ประกอบอาร์เรย์ดัชนีถูกตั้งค่าให้จัดเก็บในอาร์เรย์ด้วยและดัชนีเริ่มต้นที่ 0 จากนั้นองค์ประกอบอื่นเริ่มต้นด้วยดัชนี 1 จากนั้นจึงลบสิ่งเหล่านี้ออกจากกันเพื่อค้นหาความแตกต่างของตำแหน่งสูงสุดสองตำแหน่งซึ่งสอดคล้องกับตัวเลข ของจุดระหว่างแต่ละยอด จำนวนคะแนนคูณด้วยความแตกต่างของเวลาระหว่างแต่ละจุดจะให้เวลาที่ใช้ในการตีแต่ละครั้ง ทำได้โดยการคูณเอาท์พุตจากอิลิเมนต์ dt และเอาท์พุตจากการลบของสองอาร์เรย์ ตัวเลขนี้หารด้วย 60 เพื่อหาจังหวะต่อนาที จากนั้นจึงแสดงผลโดยใช้องค์ประกอบตัวบ่งชี้ที่เป็นตัวเลขบน VUI การตั้งค่าการออกแบบ VUI ใน Labview จะแสดงในรูป

ขั้นตอนที่ 7: รวมทุกอย่างเข้าด้วยกัน

เมื่อ VUI เสร็จสิ้นบน Labview แล้ว ขั้นตอนสุดท้ายคือการเชื่อมต่อวงจรกับบอร์ด DAQ เพื่อให้สัญญาณวิ่งผ่านวงจร เข้าสู่บอร์ด จากนั้นไปยัง Labview หากทุกอย่างทำงานอย่างถูกต้อง สัญญาณ 1 Hz ควรสร้างรูปคลื่นที่แสดงในรูปและการเต้นของหัวใจ 60 ครั้งต่อนาที ตอนนี้คุณมี ECG และ Heart Rate Digital Monitor ที่ใช้งานได้