Автоматизиран ЕКГ- BME 305 Окончателен проект Допълнителен кредит: 7 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:49

Електрокардиограма (ЕКГ или ЕКГ) се използва за измерване на електрическите сигнали, произведени от сърцебиене и играе голяма роля в диагностиката и прогнозата на сърдечно -съдови заболявания. Част от информацията, получена от ЕКГ, включва ритъма на сърдечните удари на пациента, както и силата на удара. Всяка форма на ЕКГ вълна се генерира чрез повторение на сърдечния цикъл. Данните се събират чрез електрод, поставен върху кожата на пациента. След това сигналът се усилва и шумът се филтрира, за да се анализират правилно наличните данни. Използвайки събраните данни, изследователите са в състояние не само да диагностицират сърдечно -съдови заболявания, но ЕКГ също изигра голяма роля за увеличаване на разбирането и разпознаването на по -неясни заболявания. Въвеждането на ЕКГ значително подобри лечението на състояния като аритмия и исхемия [1].

Консумативи:

Тази инструкция е за симулиране на виртуално ЕКГ устройство и затова всичко, което е необходимо за провеждането на този експеримент, е работещ компютър. Софтуерът, използван за следните симулации, е LTspice XVII и може да бъде изтеглен от интернет.

Стъпка 1: Стъпка 1: Инструментален усилвател

Първият компонент на веригата е инструментален усилвател. Както подсказва името, използваният инструментален усилвател увеличава силата на сигнала. ЕКГ сигнал, който не е усилен или филтриран, е с амплитуда приблизително 5 mV. За да филтрирате сигнала, той трябва да бъде усилен. Разумна печалба за тази верига трябва да бъде голяма, за да може биоелектрическият сигнал да бъде филтриран по подходящ начин. Следователно печалбата на тази схема ще бъде около 1000. Общата форма на инструментален усилвател е включена в изображенията за тази стъпка [2]. Освен това уравненията за усилване на веригата, стойностите, които бяха изчислени за всеки компонент, са показани във второто изображение [3].

Печалбата е отрицателна, тъй като напрежението се подава към инвертиращия щифт на операционния усилвател. Стойностите, показани на второто изображение, бяха намерени чрез задаване на стойностите на R1, R2, R3 и коефициент на усилване като желани стойности и след това определяне на крайната стойност R4. Третото изображение за тази стъпка е симулираната верига в LTspice, пълна с точни стойности.

За да се тества веригата, като цяло и като отделни компоненти, трябва да се извърши анализ на променлив ток (AC). Тази форма на анализ разглежда величината на сигнала при промяна на честотите. Следователно, типът на анализа на разчитането на AC анализ трябва да бъде десетилетие, тъй като задава мащабирането на оста x и е по-благоприятен за точно отчитане на резултатите. На десетилетие трябва да има 100 точки от данни. Това ще предаде точно тенденциите в данните, без да претоварва програмата, като гарантира ефективност. Стойностите на началната и крайната честота трябва да обхващат и двете прекъснати честоти. Следователно разумна начална честота е 0,01 Hz, а разумна честота на спиране е 1 kHz. За инструменталния усилвател входната функция е синусоидална вълна с магнитуд 5 mV. 5 mV съответства на стандартната амплитуда на ЕКГ сигнал [4]. Синусова вълна имитира променящите се аспекти на ЕКГ сигнала. Всички тези настройки за анализ, с изключение на входното напрежение, са еднакви за всеки компонент.

Крайното изображение е графиката на честотната характеристика за инструменталния усилвател. Това показва, че инструменталният усилвател е в състояние да увеличи величината на входния сигнал с около 1000. Желаното усилване за инструменталния усилвател е 1000. Печалбата на симулирания инструментален усилвател е 999,6, намерена с помощта на уравнението, показано на втората снимка. Процентът грешка между желаното усилване и експерименталното усилване е 0,04%. Това е приемливо количество грешка в проценти.

Стъпка 2: Стъпка 2: Notch Filter

Следващият компонент, използван в ЕКГ веригата, е активен филтър. Активният филтър е просто филтър, който изисква захранване, за да функционира. За тази задача най -добрият активен филтър, който трябва да се използва, е филтър с прорез. Филтърът с прорез се използва за премахване на сигнал с една честота или много тесен диапазон от честоти. В случая на тази верига честотата, която трябва да се премахне с филтър с прорез, е 60 Hz. 60 Hz е честотата, на която работят електропроводите и следователно е голям източник на шум с устройства. Шумът от електропровода изкривява биомедицинските сигнали и намалява качеството на данните [5]. Общата форма на филтъра с прорези, използвана за тази схема, е показана на първата снимка за тази стъпка. Активният компонент на режещия филтър е буферът, който е прикрепен. Буферът се използва за изолиране на сигнала след прореза на филтъра. Тъй като буферът е част от филтъра и се нуждае от захранване, за да работи, филтърът с прорез е активният компонент на филтъра на тази верига.

Уравнението за резистивните и кондензаторните компоненти на прорезния филтър е показано на втората снимка [6]. В уравнението fN е честотата, която трябва да бъде премахната, която е 60 Hz. Както и инструменталният усилвател, стойността на резистора или кондензатора може да бъде зададена на всяка стойност, а другата стойност, изчислена чрез уравнението, показано на втората снимка. За този филтър на C беше присвоена стойност от 1 µF и останалите стойности бяха намерени въз основа на тази стойност. Стойността на кондензатора беше решена въз основа на удобството. Таблицата на втората снимка показва стойностите на 2R, R, 2C и C, които са били използвани.

Третото изображение за тази стъпка е последната филтърна верига с точни стойности. Използвайки тази верига, анализът на AC Sweep беше извършен с помощта на 5V. 5V съответства на напрежението след усилване. Останалите параметри на анализа са същите като посочените в стъпката на усилвателния прибор. Графикът на честотната характеристика е показан на последната снимка. Използвайки стойностите и уравненията на втората снимка, действителната честота за филтъра с прорези е 61.2 Hz. Желаната стойност за назъбения филтър беше 60 Hz. Използвайки уравнението за процентна грешка, има 2% грешка между симулирания филтър и теоретичния филтър. Това е допустимо количество грешка.

Стъпка 3: Стъпка 3: Нискочестотен филтър

Последният тип част, използвана в тази схема, е пасивният филтър. Както бе споменато по -рано, пасивният филтър е филтър, който не изисква източник на захранване, за да може да работи. За ЕКГ са необходими както високочестотен, така и нискочестотен филтър за правилно отстраняване на шума от сигнала. Първият тип пасивен филтър, който се добавя към веригата, е нискочестотен филтър. Както подсказва името, това първо позволява преминаване на сигнал под граничната честота [7]. За нискочестотния филтър честотата на прекъсване трябва да бъде горна граница на обхвата на сигнала. Както бе споменато по -горе, горният диапазон на ЕКГ сигнала е 150 Hz [2]. Чрез задаване на горна граница шумът от други сигнали не се използва при получаване на сигнал.

Уравнението за граничната честота е f = 1 / (2 * pi * R * C). Както при предишните компоненти на веригата, стойностите за R и C могат да бъдат намерени чрез включване на честотата и задаване на една от стойностите на компонентите [7]. За нискочестотния филтър кондензаторът е настроен на 1 µF и желаната честота на прекъсване е 150 Hz. Използвайки уравнението на граничната честота, стойността на резисторния компонент се изчислява на 1 kΩ. Първото изображение за тази стъпка е пълна схема на нискочестотен филтър.

Същите параметри, определени за филтъра с прорези, се използват за AC Sweep Analysis на нискочестотния филтър, показан на второто изображение. За този компонент желаната гранична честота е 150Hz и използвайки уравнение 3, симулираната честота на прекъсване е 159 Hz. Това има процентна грешка от 6%. Процентът грешка за този компонент е по -висок от предпочитания, но компонентите са избрани за по -лесно превеждане във физическа верига. Това очевидно е нискочестотен филтър, базиран на графика на честотната характеристика във второто изображение, тъй като само сигналът под граничната честота може да премине при 5 V, а когато честотата се доближи до граничната честота, напрежението намалява.

Стъпка 4: Стъпка 4: Високочестотен филтър

Вторият пасивен компонент за ЕКГ веригата е високочестотният филтър. Високочестотният филтър е филтър, който позволява преминаването на всяка честота, по -голяма от граничната честота. За този компонент граничната честота ще бъде 0,05 Hz. Още веднъж 0,05 Hz е долният край на диапазона от ЕКГ сигнали [2]. Въпреки че стойността е толкова малка, все още трябва да има високочестотен филтър, за да се филтрира всяко изместване на напрежението в сигнала. Следователно високочестотният филтър все още е необходим в рамките на схемата, въпреки че граничната честота е толкова малка.

Уравнението за граничната честота е същото като нискочестотния филтър за прекъсване, f = 1 / (2 * pi * R * C). Стойността на резистора беше зададена на 50 kΩ и желаната честота на прекъсване е 0,05 Hz [8]. Използвайки тази информация, стойността на кондензатора беше изчислена до 63 µF. Първото изображение за тази стъпка е високочестотният филтър със съответните стойности.

AC Sweep Analysis е вторият филтър. Подобно на нискочестотния филтър, тъй като честотата на сигнала се доближава до граничната честота, изходното напрежение намалява. За високочестотния филтър желаната честота на прекъсване е 0,05 Hz, а симулираната гранична честота е 0,0505 Hz. Тази стойност е изчислена с помощта на уравнението за честота на прекъсване на ниските честоти. Процентът грешка за този компонент е 1%. Това е приемлив процент грешка.

Стъпка 5: Стъпка 5: Пълна верига

Цялата верига е изградена чрез последователно свързване на четирите компонента, инструменталния усилвател, филтъра с прорези, нискочестотния филтър и високочестотния филтър. Пълната електрическа схема е показана на първото изображение за тази стъпка.

Симулираният отговор, показан на втората фигура, действа така, както се очакваше да се основава на типовете компоненти, използвани за тази верига. Проектираната верига филтрира шума както в долната, така и в горната граница на ЕКГ сигнала, както и успешно филтрира шума от електропроводи. Нискочестотният филтър успешно премахва сигнала под граничната честота. Както е показано на диаграмата на честотната характеристика, при 0,01 Hz, сигналът преминава през 1 V, стойност, която е 5 пъти по -малка от желания изход. С увеличаване на честотата изходното напрежение също се увеличава, докато достигне върховете си при 0.1 Hz. Пикът е около 5 V, което е подравнено с усилване от 1000 за инструменталния усилвател. Сигналът намалява от 5 V, започвайки от 10 Hz. По времето, когато честотата е 60 Hz, от веригата не се извежда сигнал. Това беше целта на прореза на филтъра и имаше за цел да противодейства на смущенията на електропроводите. След като честотата надхвърли 60 Hz, напрежението отново започва да се увеличава с честота. И накрая, след като честотата достигне 110 Hz, сигналът достига вторичен пик от около 2 V. Оттам изходът намалява поради нискочестотния филтър.

Стъпка 6: Заключение

Целта на това задание беше да се симулира автоматизирана ЕКГ, способна да записва точно сърдечния цикъл. За да се направи това, аналоговият сигнал, който би бил взет от пациент, трябваше да бъде усилен и след това филтриран, за да включва само ЕКГ сигнала. Това беше постигнато чрез първо използване на инструментален усилвател за увеличаване на силата на сигнала приблизително 1000 пъти. След това шумът на електропроводите трябваше да бъде премахнат от сигнала, както и шумът отгоре и под определения честотен диапазон на ЕКГ. Това означаваше включване на активен филтър с прорез, както и пасивни високочестотни и нискочестотни филтри. Въпреки че крайният продукт за това задание беше симулирана верига, все пак имаше известна приемлива грешка, като се вземат предвид стандартните стойности за резистивни и капацитивни компоненти, които обикновено са налични. Като цяло системата работи както се очаква и би могла да се прехвърли във физическа верига доста лесно.

Стъпка 7: Ресурси

[1] X.-L. Ян, Г.-З. Лю, Ю.-Х. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Уанг и С.-Х. Тан, „Историята, горещите точки и тенденциите на електрокардиограмата“, Вестник по гериатрична кардиология: JGC, юли-2015. [На линия]. Налично: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Достъп: 01-Dec-2020].

[2] Л. Г. Терещенко и М. Е. Джоузефсън, „Честотно съдържание и характеристики на вентрикуларната проводимост“, Вестник по електрокардиология, 2015. [Онлайн]. Налично: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Достъп: 01-Dec-2020].

[3] „Диференциален усилвател-Измервателят на напрежението“, Основни уроци по електроника, 17-март-2020. [На линия]. Налично: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Достъп: 01-Dec-2020].

[4] C.-H. Чен, С.-Г. Пан и П. Кингет, „Система за измерване на ЕКГ“, Колумбийския университет.

[5] S. Akwei-Sekyere, „Елиминиране на шума от електропроводи в биомедицински сигнали чрез разделяне на сляп източник и вейвлет анализ“, PeerJ, 02-юли-2015. [На линия]. Налично: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Достъп: 01-Dec-2020].

[6] „Филтрите за спиране на лентата се наричат филтри за отхвърляне“, Основни уроци по електроника, 29 юни 2020 г. [На линия]. Налично: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Достъп: 01-Dec-2020].

[7] „Нискочестотен филтър-Урок за пасивен RC филтър“, Основни уроци по електроника, 01-май-2020. [На линия]. Налично: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Достъп: 01-Dec-2020].

[8] „Високочестотен филтър-Урок за пасивен RC филтър“, Основни уроци по електроника, 05-март-2019. [На линия]. Налично: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Достъп: 01-Dec-2020].