Automatski EKG-BME 305 Završni projekt Dodatni kredit: 7 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:04

Elektrokardiogram (EKG ili EKG) koristi se za mjerenje električnih signala koje proizvodi lupajuće srce i igra veliku ulogu u dijagnostici i prognozi kardiovaskularnih bolesti. Neki od podataka dobivenih EKG -om uključuju ritam otkucaja srca pacijenta, kao i jačinu otkucaja srca. Svaki valni oblik EKG -a generira se ponavljanjem srčanog ciklusa. Podaci se prikupljaju elektrodom postavljenom na kožu pacijenta. Signal se zatim pojačava i šum se filtrira kako bi se pravilno analizirali prisutni podaci. Koristeći prikupljene podatke, istraživači su u mogućnosti ne samo dijagnosticirati kardiovaskularne bolesti, već je i EKG odigrao veliku ulogu u povećanju razumijevanja i prepoznavanja opskurnijih bolesti. Implementacija EKG -a uvelike je poboljšala liječenje stanja poput aritmije i ishemije [1].

Potrošni materijal:

Ovaj Instructable služi za simulaciju virtualnog EKG uređaja i stoga je sve što je potrebno za izvođenje ovog eksperimenta radni računar. Softver koji se koristi za sljedeće simulacije je LTspice XVII i može se preuzeti s interneta.

Korak 1: Korak 1: Instrumentalno pojačalo

Prva komponenta kola je instrumentalno pojačalo. Kao što ime govori, koristi se instrumentacijsko pojačalo za povećanje veličine signala. EKG signal koji nije pojačan ili filtriran ima amplitudu otprilike 5 mV. Da bi se filtrirao signal, potrebno ga je pojačati. Razumni dobitak za ovo kolo morao bi biti velik kako bi bioelektrični signal bio pravilno filtriran. Stoga će dobitak ovog kruga biti oko 1000. Opći oblik instrumentacijskog pojačala uključen je u slike za ovaj korak [2]. Osim toga, jednadžbe za pojačanje kola, vrijednosti izračunate za svaku komponentu prikazane su na drugoj slici [3].

Pojačanje je negativno jer se napon dovodi na invertirajući pin operacijskog pojačala. Vrijednosti prikazane na drugoj slici su pronađene postavljanjem vrijednosti R1, R2, R3 i dobiti kao željene vrijednosti, a zatim rješavanjem konačne vrijednosti R4. Treća slika za ovaj korak je simulirano kolo u LTspice -u, zajedno s točnim vrijednostima.

Kako bi se ispitalo kolo, kao cjelina i kao pojedinačne komponente, treba pokrenuti analizu izmjenične struje (AC). Ovaj oblik analize posmatra veličinu signala pri promjeni frekvencija. Stoga bi vrsta analize AC analize trebala biti desetljeće jer postavlja skalu osi x i pogodnija je za precizno čitanje rezultata. Po deceniji bi trebalo biti 100 tačaka podataka. Ovo će precizno prenijeti trendove u podacima bez preopterećenja programa, osiguravajući efikasnost. Vrijednosti početne i zaustavne frekvencije trebaju obuhvatiti obje odsječene frekvencije. Stoga je razumna početna frekvencija 0,01 Hz, a razumna frekvencija zaustavljanja 1 kHz. Za instrumentacijsko pojačalo, ulazna funkcija je sinusni val veličine 5 mV. 5 mV odgovara standardnoj amplitudi EKG signala [4]. Sinusni val oponaša promjenjive aspekte EKG signala. Sve ove postavke analize, osim ulaznog napona, iste su za svaku komponentu.

Konačna slika je dijagram frekvencijskog odziva za instrumentacijsko pojačalo. Ovo pokazuje da instrumentacijsko pojačalo može povećati veličinu ulaznog signala za oko 1000. Željeni dobitak za instrumentacijsko pojačalo je bio 1000. Dobit simuliranog instrumentacijskog pojačala je 999,6, pronađeno pomoću jednadžbe prikazane na drugoj fotografiji. Postotak greške između željenog i eksperimentalnog pojačanja je 0,04%. Ovo je prihvatljiv iznos postotne greške.

Korak 2: Korak 2: Notch filter

Sljedeća komponenta koja se koristi u EKG krugu je aktivni filter. Aktivni filter je samo filter koji zahtijeva napajanje kako bi funkcionirao. Za ovaj zadatak, najbolji aktivni filter koji se koristi je filter sa zarezima. Urezani filter koristi se za uklanjanje signala na jednoj frekvenciji ili u vrlo uskom rasponu frekvencija. U slučaju ovog kruga, frekvencija koja se uklanja uklopnim filterom je 60 Hz. 60 Hz je frekvencija na kojoj rade dalekovodi i stoga je veliki izvor buke s uređajima. Šum električnog voda izobličava biomedicinske signale i smanjuje kvalitetu podataka [5]. Opći oblik urezanog filtera koji se koristi za ovo kolo prikazan je na prvoj fotografiji za ovaj korak. Aktivna komponenta urezanog filtera je pričvršćeni međuspremnik. Međuspremnik se koristi za izolaciju signala nakon urezanog filtera. Budući da je međuspremnik dio filtera i za rad mu je potrebno napajanje, urezani filter je aktivna komponenta filtera ovog kruga.

Jednadžba za otporničke komponente i kondenzatorske komponente zarezanog filtera prikazana je na drugoj fotografiji [6]. U jednadžbi, fN je frekvencija koju treba ukloniti, a to je 60 Hz. Kao i instrumentalno pojačalo, vrijednost otpornika ili kondenzatora može se postaviti na bilo koju vrijednost, a drugu vrijednost izračunati jednadžbom prikazanom na drugoj fotografiji. Za ovaj filter, C je dobila vrijednost od 1 µF, a ostale vrijednosti su pronađene na osnovu te vrijednosti. Vrijednost kondenzatora određena je na temelju praktičnosti. Tablica na drugoj fotografiji prikazuje vrijednosti 2R, R, 2C i C koje su korištene.

Treća slika za ovaj korak je završno kolo filtera sa zarezima sa tačnim vrijednostima. Koristeći to kolo, analiza AC Sweep je izvedena pomoću 5V. 5V odgovara naponu nakon pojačanja. Ostali parametri analize su isti kao što je navedeno u koraku instrumentacijskog pojačala. Grafikon frekvencijskog odziva prikazan je na posljednjoj fotografiji. Koristeći vrijednosti i jednadžbe na drugoj fotografiji, stvarna frekvencija urezanog filtera je 61,2 Hz. Željena vrijednost za urezani filter bila je 60 Hz. Koristeći jednadžbu postotka greške, postoji greška od 2% između simuliranog filtera i teoretskog filtera. Ovo je prihvatljiv iznos greške.

Korak 3: Korak 3: Niskopropusni filter

Posljednji tip dijela koji se koristi u ovom krugu je pasivni filter. Kao što je ranije spomenuto, pasivni filter je filter koji ne zahtijeva izvor napajanja da bi bio u funkciji. Za EKG su potrebni i visokopropusni i niskopropusni filter za pravilno uklanjanje šuma iz signala. Prva vrsta pasivnog filtera koji se dodaje u krug je niskopropusni filter. Kao što ime sugerira, ovo prvo omogućuje prolaz signala ispod granične frekvencije [7]. Za niskopropusni filter, granična frekvencija bi trebala biti gornja granica raspona signala. Kao što je ranije spomenuto, gornji raspon EKG signala je 150 Hz [2]. Postavljanjem gornje granice, šum drugih signala se ne koristi pri akviziciji signala.

Jednačina za graničnu frekvenciju je f = 1 / (2 * pi * R * C). Kao i kod prethodnih komponenti kola, vrijednosti za R i C mogu se pronaći uključivanjem frekvencije i postavljanjem jedne od vrijednosti komponente [7]. Za niskopropusni filter, kondenzator je postavljen na 1 µF, a željena granična frekvencija je 150 Hz. Koristeći jednadžbu granične frekvencije, vrijednost komponente otpornika izračunava se na 1 kΩ. Prva slika za ovaj korak je potpuna shema niskopropusnih filtera.

Isti parametri definirani za urezni filter koriste se za AC Sweep analizu niskopropusnog filtra, prikazanu na drugoj slici. Za ovu komponentu, željena granična frekvencija je 150Hz, a pomoću jednadžbe 3, simulirana granična frekvencija je 159 Hz. Ovo ima postotak greške od 6%. Postotak greške za ovu komponentu je veći od željenog, ali su komponente odabrane radi lakšeg prevođenja u fizičko kolo. Ovo je očito niskopropusni filter, zasnovan na grafikonu frekvencijskog odziva na drugoj slici, jer samo signal ispod granične frekvencije može proći na 5 V, a kako se frekvencija približava graničnoj frekvenciji, napon se smanjuje.

Korak 4: Korak 4: Visokopropusni filter

Druga pasivna komponenta za EKG krug je visokopropusni filter. Visokopropusni filter je filter koji omogućuje prolaz bilo kojoj frekvenciji većoj od granične. Za ovu komponentu granična frekvencija će biti 0,05 Hz. Još jednom 0,05 Hz je donji kraj raspona EKG signala [2]. Iako je vrijednost tako mala, još uvijek mora postojati visokopropusni filtar kako bi se filtrirao bilo koji pomak napona u signalu. Stoga je visokopropusni filter i dalje neophodan u dizajnu kola, iako je granična frekvencija tako mala.

Jednadžba za graničnu frekvenciju je ista kao niskopropusni odsječeni filter, f = 1 / (2 * pi * R * C). Vrijednost otpornika postavljena je na 50 kΩ, a željena granična frekvencija je 0,05 Hz [8]. Koristeći te informacije, vrijednost kondenzatora je izračunata na 63 µF. Prva slika za ovaj korak je visokopropusni filter sa odgovarajućim vrijednostima.

Analiza čišćenja izmjeničnim naponom je drugi filter. Kao i niskopropusni filter, kako se frekvencija signala približava graničnoj frekvenciji, izlazni napon se smanjuje. Za visokopropusni filter željena granična frekvencija je 0,05 Hz, a simulirana granična frekvencija 0,0505 Hz. Ova vrijednost je izračunata korištenjem jednadžbe niske frekvencije. Postotak greške za ovu komponentu je 1%. Ovo je prihvatljiv postotak greške.

Korak 5: Korak 5: Puni krug

Čitavo kolo je konstruisano serijskim povezivanjem četiri komponente, instrumentacionog pojačala, urezanog filtera, niskopropusnog filtera i visokopropusnog filtera. Potpuni dijagram kola prikazan je na prvoj slici za ovaj korak.

Simulirani odziv prikazan na drugoj slici djeluje onako kako se očekivalo da se zasniva na vrstama komponenti koje se koriste za ovo kolo. Dizajnirano kolo filtrira šum i na donjoj i na gornjoj granici EKG signala, kao i uspješno filtrira šum iz dalekovoda. Niskopropusni filter uspješno uklanja signal ispod granične frekvencije. Kao što je prikazano na grafikonu frekvencijskog odziva, pri 0,01 Hz, signal prolazi kroz 1 V, vrijednost koja je 5 puta manja od željenog izlaza. S povećanjem frekvencije izlazni napon se također povećava sve dok ne dosegne svoje vrhove na 0,1 Hz. Vrh je oko 5 V, što je usklađeno s dobitkom od 1000 za instrumentacijsko pojačalo. Signal se smanjuje sa 5 V počevši od 10 Hz. Do trenutka kada je frekvencija 60 Hz, krug ne emitira signal. To je bila svrha usjeknog filtera i trebala je spriječiti smetnje dalekovoda. Nakon što frekvencija pređe 60 Hz, napon ponovno počinje rasti s frekvencijom. Konačno, kada frekvencija dosegne 110 Hz, signal dostiže sekundarni vrh od otprilike 2 V. Odatle se izlaz smanjuje zbog niskopropusnog filtra.

Korak 6: Zaključak

Svrha ovog zadatka bila je simuliranje automatiziranog EKG -a sposobnog za precizno snimanje srčanog ciklusa. Da bi se to učinilo, analogni signal koji bi se uzeo od pacijenta potrebno je pojačati, a zatim filtrirati tako da uključuje samo EKG signal. To je postignuto prvo korištenjem instrumentacijskog pojačala za povećanje veličine signala otprilike 1000 puta. Tada je iz signala trebalo ukloniti šum električnih vodova, kao i šum iznad i ispod predviđenog frekvencijskog područja EKG -a. To je značilo uključivanje aktivnog filtera sa zarezima, kao i pasivnih filtera visokih i niskih prolaza. Iako je konačni proizvod za ovaj zadatak bio simulirano kolo, ipak je bilo neke prihvatljive greške, uzimajući u obzir standardne vrijednosti za otporničke i kapacitivne komponente koje su normalno dostupne. Preko svega, sistem je radio kako se očekivalo i mogao bi se prilično lako prebaciti u fizičko kolo.

Korak 7: Resursi

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang i S.-H. Tan, „Povijest, žarišta i trendovi elektrokardiograma“, časopis za gerijatrijsku kardiologiju: JGC, jul-2015. [Online]. Dostupno: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Pristupljeno: 01. 12. 2020.]

[2] L. G. Tereshchenko i M. E. Josephson, „Učestalost sadržaja i karakteristike ventrikularne provodljivosti“, Journal of electrocardiology, 2015. [Online]. Dostupno: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Pristupljeno: 01. 12. 2020.]

[3] “Diferencijalno pojačalo-oduzimač napona”, Vodiči iz osnovne elektronike, 17. marta 2020. [Online]. Dostupno: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Pristupljeno: 01. 12. 2020.]

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan i P. Kinget, „Sustav mjerenja EKG -a“, Univerzitet Columbia.

[5] S. Akwei-Sekyere, „Uklanjanje šuma elektroenergetskog napona u biomedicinskim signalima putem razdvajanja slijepih izvora i wavelet analize“, PeerJ, 02. juli 2015. [Online]. Dostupno: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Pristupljeno: 01. 12. 2020.]

[6] “Filteri za zaustavljanje pojasa zovu se filtri za odbacivanje”, Osnovni elektronički vodiči, 29. juna 2020. [Online]. Dostupno: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Pristupljeno: 01. 12. 2020.]

[7] “Niskopropusni filter-Vodič za pasivni RC filter”, Osnovni elektronički vodiči, 01. svibnja 2020. [Online]. Dostupno: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Pristupljeno: 01. 12. 2020.]

[8] “Visokopropusni filter-Vodič za pasivni RC filter”, Osnovni elektronički vodiči, 05. ožujka 2019. [Online]. Dostupno: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Pristupljeno: 01. 12. 2020.].