ผลลัพธ์ EKG

สรุปการทำงาน

หลังจากที่ล้มเหลวในครั้งแรก เรากลับมาใหม่ด้วยข้อมูลที่แน่นกว่าเดิมมาก เราหยุดการค้นหาวงจรต่างๆในกูเกิล แต่เรากลับมามองที่อุปกรณ์ของเราเอง สิ่งที่เรามีคือ AD623 ซึ่งเป็น Instrumentation Amplifier ตัวหนึ่ง เราเริ่มศึกษา Data sheet ของ AD623 อย่างจริงจัง สิ่งที่เราทำเป็นอย่างแรกคือ ศึกษาวงจรพื้นฐาน (www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/AD623.pdf )

นี่คือวงจรพื้นฐานแบบ Dual Supply ของ AD623 ต่อจากนั้นเราจึงคำนวณหาวิธีต่อให้ได้ gain ตามที่เราต้องการ

พวกผมต้องการ gain = 1,000 จำเป็นจะต้องต่อ Rg ที่ขา 1 และ ขา 8 ขนาด 100 Ohm แต่หากเราขยาย 1 พันเท่า ในทีเดียว จะทำให้สิ่งที่เราได้มีแต่ noise ผมจึงต้องใช้ AD623 2 ตัว มาต่อเข้าด้วยกัน โดยให้ตัวแรก มี gain = 10 และตัวที่ 2 มี gain = 100 ค่า Rg ดูได้จากตาราง จะทำให้การขยายมีประสิทธิภาพมากขึ้น

หลังจากที่ต่อวงจรขยายจนเสร็จ เราทดสอบว่าสามารถขยายได้จริงหรือไม่ด้วยการจ่าย input ด้วย function generator โดยเครื่องฟังก์ชัน เจเนเรเตอร์ ของพวกผมสามารถจ่ายไฟได้ต่ำสุด คือ 50 mV หากขยาย 1000 เท่า จะได้ output = 50V ซึ่งเกินไฟเลี้ยงที่เราจ่ายให้ AD623 เพียงแค่ 6V เราจึงต้องใช้หลักการแบ่งแรงดัน เพื่อลดขนาดของ input ให้เหลือเพียง 1mV และเมื่อทดลอง ก็ปรากฎ แอมปลิจูดของ output เป็น 1V จริง

ถือว่าวงจรของเราประสบความสำเร็จในขั้นแรก แต่เมื่อเราจะเริ่มทำการต่อ ตัวนำสัญญาณไฟฟ้าเข้ากับวงจรจริงๆ สิ่งที่ปรากฎขึ้นบน ossilloscope ก็คือ กราฟของสัญญาณรบกวนที่มีความถี่ 5oHz เมื่อลองวัดเข้ากับหัวใจจริงๆ แทบไม่เห็นความแตกต่าง หรือแทบจะเรียกได้ว่าไม่มีอะไรเกิดขึ้น สิ่งที่ปรากฎบน ossilloscope ยังคงเป็น สัญญาณรบกวน

การแก้ปัญหาวิธีแรกที่พวกผมใช้ คือการต่อ simple low-pass filter มี fc = 40Hz

ด้วยตั้งใจว่าจะกำจัด noise ที่เกิดขึ้นได้แน่ แต่สิ่งที่เราได้ ก็ทำให้เราผิดหวัง เพราะในหน้าจอของ ossilloscope ยังคงปรากฎ noise นี้อยู่ เพียงแต่เปลี่ยนจาก สัญญาณที่เป็น pulse หรือกราฟสี่เหลี่ยม ให้กลายเป็นคลื่นไซน์

เราทำการค้นหาวิธีกำจัด noise ชนิดนี้อย่างมาก ทั้งเปลี่ยนสายไฟที่ใช้ต่อตัวนำสัญญาณไฟฟ้า จากแต่เดิมเป็นสายทองแดงธรรมดา เปลี่ยนมาเป็นสายไฟที่มี shield (สายไมโครโฟน) หาซื้อเจลที่ใช้ทา ก่อนที่จะวัดสัญญาณการเต้นหัวใจ แต่สุดท้ายก็ได้มาฟรี ๆ จากโรงพยาบาล มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ ขอขอบคุณมา ณ ที่นี้ด้วยครับ

เราทำการศึกษามาเรื่อยๆ จนได้มารู้จักกับ notch filter ฟิลเตอร์ตัวนี้ เป็นฟิลเตอร์ชนิด Band-reject filter มีการออกแบบในหลายๆแนวทาง มีทั้งที่เป็นเครื่องสำเร็จในการกำจัดสัญญาณรบกวน 50Hz แต่ที่พวกผมเลือกมาคือวงจร Active filter ที่หา ออฟแอม ได้ในประเทศไทย

ในวงจรนี้คือ Notch filter 50Hz แต่ TL074ACN เราเปลี่ยนเป็น TL074CN-TI แทน เพราะหาซื้อได้ง่ายกว่า ผลจากการต่อฟิลเตอร์ชนิดนี้ ทำให้สัญญาณรบกวนมีขนาดเล็กลงมาก ถึงแม้มันจะไม่หายไปเลย แต่มันก็ทำให้พวกผมรู้สึกดีขึ้นมาก จากการพยายาม เราตัดสินใจวัดสัญญาณการเต้นหัวใจขึ้น ossilloscope โดยที่ยังเหลือสัญญาณรบกวนชนิดนี้อยู่ ผลลัพธ์ที่ได้จะแกว่งไปมา ระหว่างสัญญาณของหัวใจ กับสัญญาณรบกวน ความถี่ที่ได้จะมีตั้งแต่10 Hz - 5oHZ และกราฟที่ได้ก็จะผสมกัน อาจจะทำให้อ่านได้ไม่ชัดเจน แต่นี่คือผลลัพธ์ที่ได้จากการทดลอง และศึกษาเป็นเวลานาน

วงจรกรองความถี่

รูปแบบพื้นฐานของวงจรกรองความถี่ Filter มีอยู่ด้วยกัน 4 แบบคือ

1. วงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน (Low-Pass Filter ,LPF) เป็นวงจรที่ยอมให้ความถี่ต่ำผ่านไปได้ดี และทำการลดทอนสัญญาณที่มีความถี่สูงออกไป

2. วงจรกรองความถี่สูงผ่าน (High-Pass Filter ,HPF) เป็นวงจรที่ยอมให้ความถี่สูงผ่านไปได้ดี และทำการลดทอนสัญญาณที่มีความถี่ต่ำออกไป

3. วงจรกรองแถบความถี่ผ่าน (Band-Pass Filter ,BPF) เป็นวงจรที่ยอมให้ช่วงความถี่บางช่วงผ่านไปได้ดี และทำการลดทอนสัญญาณที่มีความถี่ต่ำกว่าและสูงกว่าออกไป

4. วงจรกำจัดแถบความถี่ (Band-Reject Filter ,BRF) เป็นวงจรที่ยอมให้ความถี่ต่ำกว่าและสูงกว่าผ่านออกไปได้ดี และทำการลดทอนสัญญาณในช่วงแถบความถี่ที่กำหนดไว้

การสร้างวงจรกรองความถี่สามารถทำได้หลายวิธี ซึ่งจะแบ่งตามชนิดของวงจรกรองความถี่ ตามอุปกรณ์ที่สร้าง ได้เป็น 2 ชนิด คือ

1. วงจรกรองพาสซีฟ (Passive Filter) เป็นวงจรกรองความถี่ที่สร้างมาจากอุปกรณ์ 3 ตัว คือ ตัวต้านทาน (R) , ตัวเหนี่ยวนำ(L), และตัวเก็บประจุ (C) เนื่องจาก impedance ของ C และ L จะเปลี่ยนแปลงตามความถี่ โดยการนำไปต่อในวงจรตามตำแหน่งที่เหมาะสม (อนุกรม/ขนาน)

2. วงจรกรองแอคทีฟ (Active Filter) เป็นวงจรกรองความถี่ที่สร้างมาจากอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ เช่น ทรานซิสเตอร์, ออปแอมป์ หรือไอซีวงจรรวมต่างๆ โดยนำมาต่อร่วมกับ ตัวต้านทาน, ตัวเหนี่ยวนำ หรือตัวเก็บประจุ ข้อดีของวงจรแบบนี้ก็คือสามารถขยายสัญญาณได้ด้วย และยังสามารถทำงานในระบบอนาลอกหรือดิจิตอลก็ได้ด้วย

วงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน (Low-Pass Filter ,LPF)

วงจรแบบกรองความถี่ต่ำจะยอมให้ความถี่ผ่านได้ในช่วงตั้งแต่สัญญาณที่เป็นแรงดัน DC ไปจนถึง ความถี่คัตออฟ (cut-off frequency) แทนด้วยเครื่องหมาย fc ความถี่คัตออฟคือความถี่ ณ ขณะที่อัตราขยายของวงจรมีค่าลดลงเป็น 0.707 เท่าของอัตราขยายปกติ (-3 เดซิเบล) บางครั้งอาจเรียกความถี่นี้ได้ว่า ความถี่มุม (corner frequency) ถ้ามีความถี่ที่สูงเกิน fc ผ่านวงจรจะลดทอนขนาดความถี่นั้นจนมีค่าน้อยมาก ๆ จากในรูปเส้นทึบแสดงถึงผลในทางอุดมคติ ส่วนเส้นประแสดงถึงผลของวงจรในทางความเป็นจริง ในช่วงที่ยอมให้ความถี่ผ่านได้เราเรียกว่า ช่วงผ่าน (pass band) และช่วงที่ไม่ยอมให้ความถี่ผ่านเรียกว่า ช่วงลดทอน (stop band)

รูป a) กราฟของการกรองความถี่ต่ำ

การออกแบบวงจรกรองความถี่ต่ำผ่านแบบ passive

คำนวณได้จาก

เลือกความถี่คัตออฟที่เราต้องการ กำหนดค่า R หรือ C คำนวณหาอีกตัวหนึ่ง

การออกแบบวงจรกรองความถี่ต่ำผ่านแบบ active

คำนวณได้จาก โดยคำนวณในลักษณะเดียวกัน

http://en.wikipedia.org/wiki/Low-pass_filter


วงจรกรองความถี่สูงผ่าน (High-Pass Filter ,HPF)

วงจรกรองความถี่สูงจะทำการลดทอนสัญญาณในช่วงที่มีความถี่ต่ำและยอมให้ผ่านได้เฉพาะสัญญาณในช่วงความถี่ที่สูงกว่าความถี่คัตออฟ fc โดยในช่วงความถี่สูง ๆ นั้นจะมีอัตราขยายคงที่

รูป (a) ลักษณะของวงจรกรองความถี่สูง (b) กราฟของการกรองความถี่สูง

การออกแบบสามารถคำนวณได้จากสมการเดียวกันกับ LPF

http://en.wikipedia.org/wiki/High-pass_filter

วงจรกรองแถบความถี่ผ่าน (Band-Pass Filter ,BPF)

เป็นวงจรที่ยอมให้บางความถี่ผ่านไปได้เท่านั้น เป็นการรวมทั้งวงจรกรองความถี่ต่ำและกรองความถี่สูงเข้าไว้ด้วยกัน

รูป (a) ลักษณะของวงจรกรองความถี่เป็นช่วง (b) กราฟของการกรองความถี่เป็นช่วง

http://en.wikipedia.org/wiki/Band-pass_filter

วงจรกำจัดแถบความถี่ (Band-Reject Filter ,BRF)

ถ้า BPF หมายถึงการที่ยอมให้ความถี่ในช่วงนั้นๆผ่าน BRF ก็คือวงจรที่ไม่ยอมให้ความถี่ในช่วงนั้นๆ ผ่านไปได้ เป็นวงจรกรองความถี่ที่มีประสิทธิภาพ ได้รับความนิยมในการใช้งาน ไม่แพ้ LPF

รูป a) ลักษณะของวงจรกำจัดแถบความถี่

รูป b) กราฟของการกำจัดแถบความถี่

http://en.wikipedia.org/wiki/Band-stop_filter

การประกอบวงจรของจริง

ในสัปดาห์ที่ 3 นี้ เราเริ่มการประกอบวงจรของจริงกันที่ ห้องโปรเจค ที่ตึกวิจัย หลังจากสแกนลายนิ้วมือขึ้นตึกไปจนได้ (กว่าจะสแกนผ่าน - -") เมื่อเราเตรียมอุปกรณ์เสร็จเรียบร้อย เราตั้งใจกันว่าจะเริ่มต้นด้วย original EKG circuit (ลงไปหาอ่านรายละเอียดได้ในหัวข้อล่างๆครับ) แต่ปัญหาที่เราพบ ปัญหาแรกเลยก็คือ instrument amplifier ที่เรามี กับในวงจร มันคนละเบอร์กันอันนี้เรารู้มาแต่แรก แต่ที่เราไม่ได้สังเกตเลย ก็คือ ขาของออฟแอมที่เรามี มันมีแค่ 8 ขา หากแต่ในรูปมันมี 16 ขา เพียงปัญหาแค่นี้ ก็ทำให้กลุ่มผมหยุดชะงักแล้วครับ (อภัยในความโง่เขลาพวกเราด้วย) เราจึงต้องทำการออกแบบ กันเอง เพื่อให้สามารถนำ AD623 ที่เรามีมาใช้ในวงจรนี้ให้ได้ โดยอาศัย data sheet ที่พอหาได้ ก็เป็นอย่างที่เห็นครับ

หลังจากตกลงกันเรียบร้อย และตรวจสอบอีกครั้ง ว่ามันจะไม่ลัดวงจร เราก็เริ่มทำการประกอบวงจรลง breadboard ทันที ถึงแม้จะมี R ขนาดไม่ตรงกัน เราก็ใช้การอนุกรมกันบ้าง ขนานกันบ้าง เอาค่าใกล้เคียงบ้าง ก็สามารถแก้ปัญหาไปได้ ทั้งหมดนี้คือภาพบรรยากาศในการทำงานภายในห้องโปรเจค

พวกเราทำการต่อวงจรกันด้วยความหวาดหวั่น เอ๊ย! ความมั่นใจ ว่ามันจะต้องสำเร็จ ปรับค่าไฟเลี้ยงไว้ที่ 6V เรียบร้อย (เนื่องจาก AD623 ทนไฟเลี้ยงได้แค่ 6V ผิดกับ AD624AD ที่ทนไฟเลี้ยงได้ถึง 9V) เกี่ยวขาวัดของ ossilloscope ไว้ที่ Vout เรียบร้อย ทุกอย่างพร้อมสำหรับการวัด

ติดตั้งตัวนำสัญญาณไฟฟ้า ไว้ตามจุดต่างๆของร่างกายดังภาพ

สร้างความสนุกสนานได้พอสมควร สำหรับการติดตั้งจริงๆ

เมื่อทุกอย่างพร้อมสำหรับการวัด เราก็ไม่รอช้า และนี่คือผลลัพธ์ที่ได้จากการที่เราพยายามอยู่พักใหญ่

(- -") นี่เราตายแล้วเหรอเนี่ย ^^" ไม่ใช่ครับ มันเป็นเพราะว่า มันไม่สำเร็จ!!! วงจรนี้ไม่เวิร์คสำหรับการทำจริงๆ หรือเป็นเพราะเราใช้ instrument amplifier คนละเบอร์กัน หรือเป็นที่ตัวนำสัญญาณไฟฟ้าอาจชำรุด หรือว่าเราจะตายแล้วจริงๆ? พวกเราเก็บคำถาม และปัญหาที่เกิดขึ้นต่างๆนี้ไว้ เราจะกลับมาใหม่อีกครั้ง พร้อมการเตรียมตัวที่ดีกว่านี้ คิดถึงปัญหาที่จะเกิดให้มากกว่านี้ ทดสอบวงจรด้วยสัญญาณอินพุทขนาดเล็กเพื่อทดสอบวงจรก่อนวัดจริงเสมอ

แล้วเราจะกลับมา / EKGlism team

เกมส์มีสาระ! ฝึกการอ่านคลื่นหัวใจ

ตัวเกมส์มีขนาดเล็กมาก เพียงแค่ 379 kb ไม่ต้องทำการติดตั้ง
www.sk-hospital.com/games/6sECG_rdm.exe
คลิกเลือกที่ Option
=> Learn เพื่อทำการจดจำ และศึกษาเกี่ยวกับคลื่นหัวใจแบบต่างๆ
=> Game เพื่อทำการเริ่มเล่นเกมส์ โดยตัวเกมส์จะเป็นการทดสอบความจำ และความเข้าใจของเรา
เหมาะสำหรับนักศึกษาแพทย์ หรือผู้ที่ต้องใช้ความรู้ทางด้านนี้

###www.sk-hospital.com###

เริ่มต้นทำความรู้จักกับอุปกรณ์

อุปกรณ์ที่จำเป็นจะต้องใช้ในการสร้างวงจร EKG อย่างง่าย จะต้องประกอบไปด้วย

1. Amplifier ในที่นี้จะใช้ AD623 ซึ่งเป็น instrumentation amplifier ที่ง่ายต่อการใช้งานตัวหนึ่ง

โดยรูปแบบภายในของ AD623 แสดงเป็นภาพ schematic ได้ดังนี้ คือ

2. Resistor ตัวความต้านทานที่ใช้ จะมีหลายขนาด ตามแต่วงจรที่เราทำการออกแบบ

3. Capacitor ตัวเก็บประจุ อีกหนึ่งอุปกรณ์ที่จำเป็นในการออกแบบ มีมากมายหลายแบบ ทั้งแบบมีประจุ และไม่มีประจุ ขนาดของตัวเก็บประจุก็มีหลากหลายกันไป

4. Diode ไดโอด อุปกรณ์ควบคุมทิศกระแส สามารถนำมาใช้ได้ตามแต่ความต้องการของผู้ออกแบบ

5. Breadboard

อุปกรณ์สุดท้ายที่จำเป็นต้องใช้ในการออกแบบวงจร breadboard ทำหน้าที่เป็นเหมือนกับแผงวงจร โดยในแนวนอนของแต่ละแถวจะถือเป็น node เดียวกัน และเฉพาะในแถบแนวตั้งสีน้ำเงิน และสีแดง แนวตั้งในแต่ละแถวจะถือว่าเป็น node เดียวกันทั้งหมดเช่นกัน

ลองเป็นคุณหมอกันดูมั้ย?

ก่อนที่เราจะเริ่มต้นทำวงจร ลองมาทดสอบตัวอุปกรณ์ Electrocardiogram กันดูก่อนเป็นไง เพื่อที่จะได้เห็นภาพว่ามันทำงานยังไง

ภายในเกมส์ จะจำลองเหตุการณ์เสมือนคุณอยู่ในคลินิกสุขภาพ โดยที่คุณรับหน้าที่เป็นเจ้าหน้าที่ประจำเครื่อง EKG ตัวเกมส์จะมีคนไข้ให้คุณเลือก 4 คน เราจะต้องทำการเลือกคนไข้ออกมาหนึ่งคน โดยการคลิกที่ชื่อ แล้วทำการคลิกที่ปุ่มโทรศัพท์ จากนั้นจะเป็นการเริ่มใช้อุปกรณ์ ทำได้ง่ายๆโดยการคลิกค้างไว้ที่ตัวนำสัญญาณไฟฟ้า แล้วไปวางยังตำแหน่งต่างๆของคนไข้ตามที่ระบุไว้ เมื่อเสร็จเรียบร้อย เกมส์จะแสดงผลการเต้นของชีพจรให้คุณ ให้คุณทำการวินิจฉัยโรคคนไข้ (อันนี้ ผมก็ไม่มีความรู้ทางด้านนี้เหมือนกัน วินิจฉัยผิดตลอดเลย T^T) คุณจะเลือกดูผลการวินิจฉัยเลย หรือจะทำการตรวจคนไข้คนอื่นต่อก็แล้วแต่สะดวกครับ

http://nobelprize.org/educational_games/medicine/ecg/index.html

>>>คลิกที่ปุ่ม play เพื่อทำการเล่นครับ<<<

ขอให้สนุกกับมันครับ

การออกแบบวงจร EKG

วงจร EKG หรือ Electro Kardio Graph คือวงจรตรวจวัดการทำงานของหัวใจโดยแสดงผลการทำงานของหัวใจออกมาเป็น กราฟ การวัดจะต้องมี lead คือตัวนำสัญญาณไฟฟ้า รับกระแสไฟฟ้าจากการเต้นของหัวใจ (เพราะทุกครั้งที่หัวใจเต้น มันจะส่งสัญญาณไฟฟ้าออกมา) ผ่านตัวขยายสัญญาณเพื่อแสดงผลการเต้นของหัวใจ ผลที่ได้จะแสดงในรูปของกราฟ จะต้องให้ แพทย์ เป็นคนอ่าน ว่าเป็นอย่างไร มีแนวโน้มเป็นโรคหัวใจหรือไม่

วงจร EKG โดยพื้นฐาน เป็นเพียงวงจร Op - Amp ธรรมดาเท่านั้นเอง



Fig.1 ตัวอย่าง EKG Schematic


Fig.2 Original combined EKG circuit

แต่ที่ต้องมีการออกแบบวงจรในหลายๆแบบ มาจากปัญหาของสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้น ทำให้ผลที่ได้ไม่ตรงกับค่าจริง ทำให้การอ่านสัญญาณไฟฟ้าการเต้นจากหัวใจผิดพลาด สัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้น อาทิ สัญญานรบกวนจากไฟบ้าน 50 Hz เป็นสัญญาณรบกวนที่ต้องกำจัดทิ้ง จึงมีการออกแบบวงจร EKG ในหลายๆแนวทาง ที่แสดงในภาพคือการใช้วงจรพื้นฐานในการวัดสัญญาณการเต้นของหัวใจ

รูปแบบสัญญาณที่ได้ เมื่อต่อเพียงแค่ วงจรส่วนแรก (First Component)


หลังจากต่อวงจรในส่วนที่ 2 เกิด noise ในสัญญาณดังรูป ไม่สามารถอ่านค่าที่แท้จริงได้

Revised EKG Circuit

วงจร EKG ที่ถูกออกแบบมาเพื่อลดสัญญาณรบกวนมีหลายรูปแบบ Revised EKG Circuit คือวงจรที่สามารถลดสัญญาณรบกวนที่จะเกิดขึ้นกับ output ที่เราต้องการได้เช่นกัน

Fig.3 ตัวอย่าง Revised EKG circuit schematic

Fig.4 Revised combined EKG setup

รูปแบบของสัญญาณไฟฟ้าที่ได้ จะไม่มีการรบกวนของสัญญาณไฟฟ้าอื่นๆที่เราไม่ต้องการดังที่แสดงในรูป

และเมื่อเราในไป print graph ก็จะสามารถให้แพทย์ตรวจสอบได้ทันที