Automatinis EKG- BME 305 galutinis projekto papildomas kreditas: 7 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:44

Elektrokardiograma (EKG arba EKG) naudojama plakančios širdies skleidžiamiems elektriniams signalams matuoti ir atlieka svarbų vaidmenį diagnozuojant ir prognozuojant širdies ir kraujagyslių ligas. Kai kuri informacija, gauta iš EKG, apima paciento širdies plakimo ritmą ir plakimo stiprumą. Kiekviena EKG bangos forma generuojama kartojant širdies ciklą. Duomenys renkami per elektrodą, uždėtą ant paciento odos. Tada signalas sustiprinamas ir triukšmas filtruojamas, kad būtų galima tinkamai išanalizuoti esamus duomenis. Naudodamiesi surinktais duomenimis, tyrėjai gali ne tik diagnozuoti širdies ir kraujagyslių ligas, bet ir EKG taip pat atliko svarbų vaidmenį didinant neaiškių ligų supratimą ir pripažinimą. Įdiegus EKG, labai pagerėjo tokių ligų kaip aritmija ir išemija gydymas [1].

Priedai:

Ši instrukcija skirta virtualiam EKG įrenginiui imituoti, todėl šiam eksperimentui atlikti reikia tik veikiančio kompiuterio. Tolesniam modeliavimui naudojama programinė įranga yra „LTspice XVII“ir ją galima atsisiųsti iš interneto.

1 žingsnis: 1 žingsnis: prietaisų stiprintuvas

Pirmasis grandinės komponentas yra prietaisų stiprintuvas. Kaip rodo pavadinimas, naudojamas prietaisų stiprintuvas, siekiant padidinti signalo dydį. EKG signalo, kuris nėra sustiprintas ar nefiltruotas, amplitudė yra maždaug 5 mV. Norint filtruoti signalą, jį reikia sustiprinti. Protingas šios grandinės pelnas turėtų būti didelis, kad bioelektrinis signalas būtų tinkamai filtruojamas. Todėl šios grandinės pelnas bus apie 1000. Bendra prietaisų stiprintuvo forma yra įtraukta į šio veiksmo vaizdus [2]. Be to, grandinės stiprinimo lygtys, kiekvienam komponentui apskaičiuotos vertės parodytos antrame paveikslėlyje [3].

Stiprinimas yra neigiamas, nes įtampa tiekiama į operacinio stiprintuvo invertuojantį kaištį. Antrame paveikslėlyje parodytos vertės buvo nustatytos nustatant R1, R2, R3 ir padidėjimo reikšmes kaip norimas vertes ir tada sprendžiant galutinę vertę R4. Trečias šio žingsnio vaizdas yra imituojama grandinė „LTspice“, kurioje pateikiamos tikslios vertės.

Norint išbandyti grandinę, kaip visumą ir kaip atskirus komponentus, reikia atlikti kintamosios srovės (AC) analizę. Ši analizės forma atsižvelgia į signalo dydį keičiantis dažniams. Todėl kintamosios srovės analizės šlavimo analizės tipas turėtų būti dešimtmetis, nes jis nustato x ašies mastelį ir yra palankesnis tiksliam rezultatų skaitymui. Per dešimtmetį turėtų būti 100 duomenų taškų. Tai tiksliai perteiks duomenų tendencijas, nepervargindama programos, užtikrindama efektyvumą. Pradžios ir sustabdymo dažnių vertės turėtų apimti abu išjungimo dažnius. Todėl protingas paleidimo dažnis yra 0,01 Hz, o pagrįstas stabdymo dažnis yra 1 kHz. Prietaisų stiprintuvo įvesties funkcija yra sinusinė banga, kurios dydis yra 5 mV. 5 mV atitinka standartinę EKG signalo amplitudę [4]. Sinusinė banga imituoja kintančius EKG signalo aspektus. Visi šie analizės nustatymai, išskyrus įėjimo įtampą, yra vienodi kiekvienam komponentui.

Galutinis vaizdas yra prietaisų stiprintuvo dažnio atsako grafikas. Tai rodo, kad prietaisų stiprintuvas gali padidinti įvesties signalo dydį maždaug 1000. Norimas prietaisų stiprintuvo stiprinimas buvo 1000. Imituoto prietaisų stiprintuvo stiprinimas yra 999,6, nustatytas naudojant antroje nuotraukoje parodytą lygtį. Procentinė paklaida tarp norimo ir eksperimentinio pelno yra 0,04%. Tai yra priimtina procentinė paklaida.

2 veiksmas: 2 veiksmas: įpjovos filtras

Kitas komponentas, naudojamas EKG grandinėje, yra aktyvus filtras. Aktyvus filtras yra tik filtras, kuriam reikia energijos, kad jis veiktų. Atliekant šią užduotį, geriausias aktyvus filtras yra įpjovos filtras. Įpjovos filtras naudojamas signalui pašalinti vienu dažniu arba labai siauru dažnių diapazonu. Šios grandinės atveju dažnis, kurį reikia pašalinti naudojant išpjovos filtrą, yra 60 Hz. 60 Hz yra dažnis, kuriuo elektros linijos veikia, todėl yra didelis triukšmo šaltinis su įrenginiais. Elektros linijos triukšmas iškreipia biomedicinos signalus ir sumažina duomenų kokybę [5]. Bendra šiai grandinei naudojamo išpjovos filtro forma parodyta pirmoje šio veiksmo nuotraukoje. Aktyvus įpjovos filtro komponentas yra pritvirtintas buferis. Buferis naudojamas izoliuoti signalą po įpjovos filtro. Kadangi buferis yra filtro dalis ir jam reikia energijos, kad veiktų, išpjovos filtras yra aktyvus šios grandinės filtro komponentas.

Įpjovos filtro varžinių ir kondensatorinių komponentų lygtis parodyta antroje nuotraukoje [6]. Lygybėje fN yra pašalintinas dažnis, kuris yra 60 Hz. Kaip ir prietaisų stiprintuvas, rezistoriaus arba kondensatoriaus vertę galima nustatyti bet kokią, o kitą vertę apskaičiuoti pagal antroje nuotraukoje parodytą lygtį. Šiam filtrui C buvo priskirta 1 µF vertė, o likusios vertės buvo rastos pagal šią vertę. Kondensatoriaus vertė buvo nuspręsta atsižvelgiant į patogumą. Antrosios nuotraukos lentelėje pateikiamos 2R, R, 2C ir C vertės.

Trečias šio žingsnio vaizdas yra paskutinė išpjovos filtro grandinė su tiksliomis vertėmis. Naudojant šią grandinę, AC Sweep analizė buvo atlikta naudojant 5V. 5V atitinka įtampą po stiprinimo. Likę analizės parametrai yra tokie patys, kaip nurodyta prietaisų stiprintuvo žingsnyje. Dažnio atsako schema parodyta paskutinėje nuotraukoje. Naudojant antrosios nuotraukos vertes ir lygtis, tikrasis išpjovos filtro dažnis yra 61,2 Hz. Norima išpjovos filtro vertė buvo 60 Hz. Naudojant procentinę klaidos lygtį, tarp imituoto filtro ir teorinio filtro yra 2% paklaida. Tai yra priimtinas klaidų kiekis.

3 žingsnis: 3 žingsnis: žemo pralaidumo filtras

Paskutinis šios grandinės dalių tipas yra pasyvus filtras. Kaip minėta anksčiau, pasyvus filtras yra filtras, kurio veikimui nereikia maitinimo šaltinio. Norint atlikti EKG, reikia tiek aukšto, tiek žemo dažnio filtro, kad signalas tinkamai pašalintų triukšmą. Pirmasis pasyvaus filtro tipas, pridedamas prie grandinės, yra žemo dažnio filtras. Kaip rodo pavadinimas, tai pirmiausia leidžia perduoti signalą žemiau ribinio dažnio [7]. Žemo dažnio filtro išjungimo dažnis turėtų būti viršutinė signalo diapazono riba. Kaip minėta anksčiau, viršutinis EKG signalo diapazonas yra 150 Hz [2]. Nustačius viršutinę ribą, kitų signalų triukšmas nenaudojamas gaunant signalą.

Išjungimo dažnio lygtis yra f = 1 / (2 * pi * R * C). Kaip ir ankstesniuose grandinės komponentuose, R ir C reikšmes galima rasti prijungus dažnį ir nustatant vieną iš komponentų verčių [7]. Žemo dažnio filtro kondensatorius buvo nustatytas 1 µF, o norimas išjungimo dažnis yra 150 Hz. Naudojant ribinio dažnio lygtį, rezistoriaus komponento vertė apskaičiuojama kaip 1 kΩ. Pirmasis šio veiksmo vaizdas yra visa žemo dažnio filtro schema.

Tie patys parametrai, apibrėžti įpjovos filtrui, naudojami žemo dažnio filtro kintamosios srovės valymo analizei, parodyta antrame paveikslėlyje. Šiam komponentui norimas ribinis dažnis yra 150 Hz, o naudojant 3 lygtį, imituojamas ribinis dažnis yra 159 Hz. Tai yra 6%paklaida. Šio komponento procentinė paklaida yra didesnė nei pageidaujama, tačiau komponentai buvo pasirinkti, kad būtų lengviau juos išversti į fizinę grandinę. Tai akivaizdžiai yra žemo dažnio filtras, pagrįstas dažnio atsako grafiku antrame paveikslėlyje, nes tik signalas, esantis žemiau ribinio dažnio, gali praeiti esant 5 V įtampai, o kai dažnis artėja prie išjungimo dažnio, įtampa mažėja.

4 žingsnis: 4 žingsnis: aukšto pralaidumo filtras

Antrasis EKG grandinės pasyvus komponentas yra aukšto dažnio filtras. Aukšto dažnio filtras yra filtras, leidžiantis praeiti bet kokiam dažniui, didesniam už ribinį dažnį. Šio komponento ribinis dažnis bus 0,05 Hz. Dar kartą 0,05 Hz yra apatinis EKG signalų diapazono galas [2]. Nors vertė yra tokia maža, vis tiek reikia turėti aukšto dažnio filtrą, kad būtų galima išfiltruoti bet kokį signalo įtampos poslinkį. Todėl aukšto dažnio filtras vis dar reikalingas grandinės konstrukcijoje, net jei išjungimo dažnis yra toks mažas.

Išjungimo dažnio lygtis yra tokia pati kaip žemo dažnio išjungimo filtro, f = 1 / (2 * pi * R * C). Rezistoriaus vertė buvo nustatyta 50 kΩ, o norimas išjungimo dažnis yra 0,05 Hz [8]. Naudojant šią informaciją, kondensatoriaus vertė buvo apskaičiuota iki 63 µF. Pirmasis šio veiksmo vaizdas yra aukšto dažnio filtras su atitinkamomis vertėmis.

AC šlavimo analizė yra antrasis filtras. Kaip ir žemo dažnio filtras, kai signalo dažnis artėja prie išjungimo dažnio, išėjimo įtampa mažėja. Aukšto dažnio filtro norimas išjungimo dažnis yra 0,05 Hz, o imituojamas ribinis dažnis - 0,0505 Hz. Ši vertė buvo apskaičiuota naudojant žemo dažnio išjungimo dažnio lygtį. Šio komponento procentinė paklaida yra 1%. Tai yra priimtina procentinė klaida.

5 žingsnis: 5 žingsnis: visa grandinė

Visa grandinė sukonstruota nuosekliai prijungus keturis komponentus, prietaisų stiprintuvą, įpjovos filtrą, žemo dažnio filtrą ir aukšto dažnio filtrą. Visa šio veiksmo schema parodyta pirmame paveikslėlyje.

Antrame paveikslėlyje parodytas imituotas atsakas veikia taip, kaip buvo tikimasi, kad jis bus pagrįstas šiai grandinei naudojamų komponentų tipais. Suprojektuota grandinė filtruoja triukšmą tiek apatinėje, tiek viršutinėje EKG signalo ribose, taip pat sėkmingai filtruoja elektros linijų keliamą triukšmą. Žemo dažnio filtras sėkmingai pašalina signalą, esantį žemiau išjungimo dažnio. Kaip parodyta dažnio atsako grafike, esant 0,01 Hz dažniui, signalas perduodamas esant 1 V įtampai, tai yra 5 kartus mažesnė vertė nei norima išvestis. Kai dažnis didėja, išėjimo įtampa taip pat didėja, kol pasiekia didžiausią 0,1 Hz dažnį. Didžiausia yra 5 V įtampa, kuri yra suderinta su 1000 stiprintuvu prietaisų stiprintuvui. Signalas mažėja nuo 5 V, pradedant nuo 10 Hz. Kai dažnis yra 60 Hz, grandinė neišduoda jokio signalo. Tai buvo išpjovos filtro tikslas ir jis buvo skirtas neutralizuoti elektros linijų trukdžius. Kai dažnis viršija 60 Hz, įtampa vėl pradeda didėti. Galiausiai, kai dažnis pasiekia 110 Hz, signalas pasiekia maždaug 2 V antrinę smailę. Iš ten išvestis mažėja dėl žemo dažnio filtro.

6 žingsnis: Išvada

Šios užduoties tikslas buvo imituoti automatizuotą EKG, galinčią tiksliai įrašyti širdies ciklą. Norėdami tai padaryti, analoginį signalą, kuris buvo paimtas iš paciento, reikėjo sustiprinti ir filtruoti, kad būtų įtrauktas tik EKG signalas. Tai buvo pasiekta pirmiausia naudojant prietaisų stiprintuvą, kad signalo dydis padidėtų maždaug 1000 kartų. Tada iš signalo reikėjo pašalinti elektros linijų triukšmą, taip pat triukšmą iš viršaus ir žemiau nurodyto EKG dažnių diapazono. Tai reiškė aktyvaus išpjovos filtro, taip pat pasyvių aukšto ir žemo dažnio filtrų įtraukimą. Nors galutinis šios užduoties produktas buvo imituota grandinė, vis tiek buvo tam tikra priimtina klaida, atsižvelgiant į standartines įprastų varžinių ir talpinių komponentų vertes. Visa sistema veikė taip, kaip tikėtasi, ir ją būtų galima gana lengvai perkelti į fizinę grandinę.

7 žingsnis: ištekliai

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang ir S.-H. Tanas, „Elektrokardiogramos istorija, taškai ir tendencijos“, Geriatrinės kardiologijos žurnalas: JGC, 2015 m. Liepos mėn. [Prisijungęs]. Prieinama: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Žiūrėta: 2020 m. Gruodžio 1 d.]

[2] L. G. Tereščenko ir M. E. Josephson, „Skilvelių laidumo dažnio turinys ir charakteristikos“, Journal of electrocardiology, 2015. [Internetas]. Prieinama: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Žiūrėta: 2020 m. Gruodžio 1 d.]

[3] „Diferencialinis stiprintuvas-įtampos atimtuvas“, Pagrindinės elektronikos pamokos, 2020 m. Kovo 17 d. [Prisijungęs]. Prieinama: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Žiūrėta: 2020 m. Gruodžio 1 d.]

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan ir P. Kinget, „EKG matavimo sistema“, Kolumbijos universitetas.

[5] S. Akwei-Sekyere, „Elektros linijos triukšmo pašalinimas biomedicininiuose signaluose per aklo šaltinio atskyrimą ir bangų analizę“, PeerJ, 2015 m. Liepos 2 d. [Prisijungęs]. Prieinama: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Žiūrėta: 2020 m. Gruodžio 1 d.]

[6] „Juostos sustabdymo filtrai vadinami atmetimo filtrais“, „Basic Electronics Tutorials“, 2020 m. Birželio 29 d. [Prisijungęs]. Prieinama: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Žiūrėta: 2020 m. Gruodžio 1 d.]

[7] „Žemo dažnio filtras-pasyvaus RC filtro pamoka“, „Pagrindinės elektronikos pamokos“, 2020 m. Gegužės 1 d. [Prisijungęs]. Prieinama: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Žiūrėta: 2020 m. Gruodžio 1 d.]

[8] „Aukšto dažnio filtras-pasyvaus RC filtro mokomoji medžiaga“, Pagrindinės elektronikos pamokos, 2019 m. Kovo 5 d. [Prisijungęs]. Galima: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Žiūrėta: 2020 m. Gruodžio 1 d.]