Samodejni EKG- BME 305 Končni projekt Dodatni kredit: 7 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:02

Elektrokardiogram (EKG ali EKG) se uporablja za merjenje električnih signalov, ki jih proizvaja utripajoče srce, in ima veliko vlogo pri diagnozi in prognozi bolezni srca in ožilja. Nekateri podatki, pridobljeni z EKG, vključujejo ritem pacientovega srčnega utripa in moč bitja. Vsaka valovna oblika EKG nastane s ponovitvijo srčnega cikla. Podatki se zbirajo z elektrodo, nameščeno na koži pacienta. Signal se nato ojači in šum filtrira, da se ustrezno analizirajo prisotni podatki. Z zbranimi podatki raziskovalci ne morejo le diagnosticirati bolezni srca in ožilja, ampak je tudi EKG imel veliko vlogo pri povečanju razumevanja in prepoznavanja bolj nejasnih bolezni. Izvajanje EKG je močno izboljšalo zdravljenje stanj, kot sta aritmija in ishemija [1].

Zaloge:

Ta Instructable je namenjen simulaciji navidezne naprave za EKG, zato je za izvedbo tega poskusa potreben le delujoč računalnik. Za naslednje simulacije je uporabljena programska oprema LTspice XVII, ki jo je mogoče prenesti z interneta.

1. korak: 1. korak: Instrumentacijski ojačevalnik

Prva komponenta vezja je instrumentacijski ojačevalnik. Kot že ime pove, se z uporabo instrumentacijskega ojačevalnika poveča jakost signala. Signal EKG, ki ni ojačan ali filtriran, ima amplitudo približno 5 mV. Za filtriranje signala ga je treba ojačati. Ustrezen dobiček za to vezje bi moral biti velik, da se bioelektrični signal ustrezno filtrira. Zato bo dobiček tega vezja okoli 1000. Splošna oblika instrumentacijskega ojačevalnika je vključena v slike za ta korak [2]. Poleg enačb za dobiček vezja so vrednosti, izračunane za vsako komponento, prikazane na drugi sliki [3].

Dobiček je negativen, ker se napetost napaja na obratnem zatiču operacijskega ojačevalnika. Vrednosti, prikazane na drugi sliki, so bile ugotovljene z nastavitvijo vrednosti R1, R2, R3 in pridobivanja kot želene vrednosti in nato določitvijo končne vrednosti R4. Tretja slika za ta korak je simulirano vezje v LTspice, skupaj z natančnimi vrednostmi.

Za preskus vezja kot celote in kot posameznih komponent je treba izvesti analizo izmeničnega toka (AC). Ta oblika analize gleda na velikost signala pri spreminjanju frekvenc. Zato bi morala biti vrsta analize izmere analize izmeničnega toka desetletje, ker določa skalo osi x in je bolj ugodna za natančno branje rezultatov. Na desetletje bi moralo biti 100 podatkovnih točk. Tako boste natančno prenesli trende v podatkih, ne da bi preobremenili program, kar bo zagotovilo učinkovitost. Vrednosti začetne in končne frekvence morata zajemati obe odrezani frekvenci. Zato je razumna začetna frekvenca 0,01 Hz in razumna frekvenca zaustavitve 1 kHz. Za instrumentacijski ojačevalnik je vhodna funkcija sinusni val z magnitudo 5 mV. 5 mV ustreza standardni amplitudi EKG signala [4]. Sinusni val posnema spreminjajoče se vidike EKG signala. Vse te nastavitve analize, razen vhodne napetosti, so enake za vsako komponento.

Končna slika je grafikon frekvenčnega odziva za instrumentacijski ojačevalnik. To kaže, da lahko instrumentacijski ojačevalnik poveča velikost vhodnega signala za približno 1000. Želeno povečanje instrumentacijskega ojačevalnika je bilo 1000. Dobiček simuliranega ojačevalnika instrumentacije je 999,6, ugotovljeno z enačbo, prikazano na drugi fotografiji. Odstotek napake med želenim in eksperimentalnim dobičkom je 0,04%. To je sprejemljiva količina odstotne napake.

2. korak: 2. korak: zarezni filter

Naslednja komponenta, ki se uporablja v EKG vezju, je aktivni filter. Aktivni filter je samo filter, ki za delovanje potrebuje moč. Za to nalogo je najboljši aktivni filter zarezni filter. Zarezni filter se uporablja za odstranjevanje signala pri eni frekvenci ali v zelo ozkem frekvenčnem območju. V tem vezju je frekvenca, ki jo je treba odstraniti z zareznim filtrom, 60 Hz. 60 Hz je frekvenca, na kateri delujejo daljnovodi, zato je velik vir hrupa pri napravah. Hrup daljnovoda izkrivlja biomedicinske signale in zmanjšuje kakovost podatkov [5]. Splošna oblika zareznega filtra, uporabljenega za to vezje, je prikazana na prvi fotografiji za ta korak. Aktivna komponenta zareznega filtra je pritrjen pufer. Odbojnik se uporablja za izolacijo signala po zareznem filtru. Ker je medpomnilnik del filtra in za delovanje potrebuje moč, je zarezni filter aktivna komponenta filtra tega vezja.

Enačba za uporovne in kondenzatorske komponente zareznega filtra je prikazana na drugi fotografiji [6]. V enačbi je fN frekvenca, ki jo je treba odstraniti, in sicer 60 Hz. Tako kot instrumentni ojačevalnik lahko vrednost upora ali kondenzatorja nastavimo na poljubno vrednost, drugo vrednost pa izračunamo z enačbo, prikazano na drugi fotografiji. Za ta filter je bila C dodeljena vrednost 1 µF, preostale vrednosti pa so bile ugotovljene na podlagi te vrednosti. Vrednost kondenzatorja je bila določena na podlagi udobja. Tabela na drugi fotografiji prikazuje vrednosti 2R, R, 2C in C, ki so bile uporabljene.

Tretja slika za ta korak je končni filtrirni krog z natančnimi vrednostmi. S tem vezjem je bila analiza AC Sweep izvedena s 5V. 5V ustreza napetosti po ojačitvi. Preostali parametri analize so enaki tistim, ki so bili navedeni v koraku instrumentacijskega ojačevalnika. Diagram frekvenčnega odziva je prikazan na zadnji fotografiji. Z uporabo vrednosti in enačb na drugi fotografiji je dejanska frekvenca zarezanega filtra 61,2 Hz. Želena vrednost za zarezni filter je bila 60 Hz. Z enačbo odstotne napake obstaja napaka 2% med simuliranim filtrom in teoretičnim filtrom. To je sprejemljiva količina napak.

3. korak: 3. korak: nizkoprepustni filter

Zadnja vrsta dela, ki se uporablja v tem vezju, je pasivni filter. Kot smo že omenili, je pasivni filter filter, ki za delovanje ne potrebuje vira napajanja. Za EKG sta potrebna visokoprehodni in nizkoprepustni filter, da se signal pravilno odstrani. Prva vrsta pasivnega filtra, ki ga je treba dodati vezju, je nizkoprepustni filter. Kot že ime pove, to najprej omogoči prehod signala pod mejno frekvenco [7]. Za nizkoprepustni filter mora biti mejna frekvenca zgornja meja območja signala. Kot smo že omenili, je zgornje območje EKG signala 150 Hz [2]. Z nastavitvijo zgornje meje se hrup drugih signalov ne uporablja pri pridobivanju signala.

Enačba za odrezano frekvenco je f = 1 / (2 * pi * R * C). Tako kot pri prejšnjih komponentah vezja lahko vrednosti za R in C ugotovite tako, da priključite frekvenco in nastavite eno od vrednosti komponent [7]. Za nizkoprepustni filter je bil kondenzator nastavljen na 1 µF, želena mejna frekvenca pa je 150 Hz. Z enačbo odrezane frekvence se vrednost komponente upora izračuna na 1 kΩ. Prva slika za ta korak je popolna shema nizkoprepustnih filtrov.

Isti parametri, opredeljeni za zarezni filter, se uporabljajo za analizo pometanja nizkoprepustnega filtra, prikazano na drugi sliki. Za to komponento je želena mejna frekvenca 150Hz, z uporabo enačbe 3 pa je simulirana mejna frekvenca 159 Hz. To ima odstotno napako 6%. Odstotek napake za to komponento je višji od želenega, vendar so bile komponente izbrane zaradi lažjega prevajanja v fizično vezje. To je očitno nizkoprepustni filter, ki temelji na ploskvi frekvenčnega odziva na drugi sliki, saj lahko samo signal pod mejno frekvenco prehaja pri 5 V, in ko se frekvenca približa odrezani frekvenci, se napetost zmanjša.

4. korak: 4. korak: visokoprepustni filter

Druga pasivna komponenta za EKG vezje je visokoprepustni filter. Visokoprepustni filter je filter, ki omogoča prehod katere koli frekvence, ki je večja od mejne frekvence. Za to komponento bo mejna frekvenca 0,05 Hz. Še enkrat je 0,05 Hz spodnji del območja EKG signalov [2]. Čeprav je vrednost tako majhna, mora še vedno obstajati visokoprepustni filter, da se izloči kakršen koli odmik napetosti v signalu. Zato je visokoprehodni filter še vedno potreben v zasnovi vezja, čeprav je mejna frekvenca tako majhna.

Enačba za mejno frekvenco je enaka kot nizkoprepustni filter, f = 1 / (2 * pi * R * C). Vrednost upora je bila nastavljena na 50 kΩ, želena mejna frekvenca pa je 0,05 Hz [8]. Na podlagi teh informacij je bila vrednost kondenzatorja izračunana na 63 µF. Prva slika za ta korak je visokoprepustni filter z ustreznimi vrednostmi.

Analiza pometanja AC je drugi filter. Tako kot nizkoprepustni filter, ko se frekvenca signala približa prekinitveni frekvenci, se izhodna napetost zmanjša. Za visokoprepustni filter je želena mejna frekvenca 0,05 Hz, simulirana mejna frekvenca pa 0,0505 Hz. Ta vrednost je bila izračunana z uporabo enačbe nizkoprepustne frekvence. Odstotek napake za to komponento je 1%. To je sprejemljiva odstotna napaka.

5. korak: 5. korak: polno vezje

Celotno vezje je sestavljeno tako, da zaporedno povežemo štiri komponente, instrumentacijski ojačevalnik, zarezni filter, nizkoprepustni filter in visokoprepustni filter. Celoten diagram vezja je prikazan na prvi sliki za ta korak.

Simuliran odziv, prikazan na drugi sliki, deluje tako, kot je bilo pričakovano, da bo temeljil na vrstah komponent, uporabljenih za to vezje. Oblikovano vezje filtrira hrup na spodnji in zgornji meji signala EKG ter uspešno filtrira hrup iz daljnovodov. Nizkoprepustni filter uspešno odstrani signal pod mejno frekvenco. Kot je prikazano na grafikonu frekvenčnega odziva, pri 0,01 Hz signal prehaja pri 1 V, vrednost, ki je 5 -krat manjša od želenega izhoda. Ko se frekvenca povečuje, se tudi izhodna napetost povečuje, dokler ne doseže svojih vrhov pri 0,1 Hz. Vrh je okoli 5 V, kar je usklajeno z dobičkom 1000 za instrumentacijski ojačevalnik. Signal se zmanjša s 5 V, začenši pri 10 Hz. Ko je frekvenca 60 Hz, vezje ne oddaja signala. To je bil namen zareznega filtra in njegov namen je bil preprečiti motnje daljnovodov. Ko frekvenca preseže 60 Hz, se napetost znova začne povečevati s frekvenco. Nazadnje, ko frekvenca doseže 110 Hz, signal doseže sekundarni vrh približno 2 V. Od tam se izhod zmanjša zaradi nizkoprepustnega filtra.

6. korak: Zaključek

Namen te naloge je bil simulirati avtomatiziran EKG, ki lahko natančno zabeleži srčni cikel. Da bi to naredili, je bilo treba ojačati analogni signal, ki bi ga vzeli od pacienta, in ga nato filtrirati, da bi vključeval samo signal EKG. To je bilo doseženo s prvo uporabo instrumentacijskega ojačevalnika za povečanje jakosti signala približno 1000 -krat. Nato je bilo treba iz signala odstraniti hrup daljnovodov, pa tudi hrup od zgoraj in pod določenim frekvenčnim območjem EKG -ja. To je pomenilo vgradnjo aktivnega zareznega filtra ter pasivnih visoko- in nizkoprepustnih filtrov. Čeprav je bil končni izdelek za to nalogo simulirano vezje, je ob upoštevanju standardnih vrednosti za uporovne in kapacitivne komponente, ki so običajno na voljo, še vedno prišlo do sprejemljive napake. V celoti je sistem deloval po pričakovanjih in bi ga bilo mogoče precej enostavno preklopiti v fizično vezje.

7. korak: Viri

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang in S.-H. Tan, "Zgodovina, žarišča in trendi elektrokardiograma," Revija geriatrične kardiologije: JGC, julij 2015. [Na spletu]. Na voljo: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Dostop: 01. 12. 2020].

[2] L. G. Tereshchenko in M. E. Josephson, "Vsebnost frekvence in značilnosti ventrikularne prevodnosti," Journal of electrocardiology, 2015. [Online]. Na voljo: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Dostop: 01. 12. 2020].

[3] "Diferencialni ojačevalnik-odštevalec napetosti", Vadnice o osnovni elektroniki, 17. marec 2020. [Na spletu]. Na voljo: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Dostop: 01. 12. 2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan in P. Kinget, "Merilni sistem EKG", Univerza Columbia.

[5] S. Akwei-Sekyere, "Odprava šumov daljnovoda v biomedicinskih signalih s pomočjo ločevanja slepih virov in valovne analize," PeerJ, 02. julij 2015. [Na spletu]. Na voljo: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Dostop: 01. 12. 2020].

[6] »Filtri za zaustavitev pasov se imenujejo filtri za zavrnitev«, Osnovni tečaji elektronike, 29. junij 2020. [Na spletu]. Na voljo: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Dostop: 01. 12. 2020].

[7] »Nizkoprepustni filter-vadnica za pasivni RC filter,« Osnovni tečaji elektronike, 01. maj 2020. [Na spletu]. Na voljo: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Dostop: 01. 12. 2020].

[8] »Visokoprepustni filter-vadnica za pasivni RC filter,« Osnovni tečaji elektronike, 5. marec 2019. [Na spletu]. Na voljo: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Dostop: 01. 12. 2020].