Automatiseeritud EKG-BME 305 Lõplik projekti lisakrediit: 7 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:45

Peksleva südame tekitatud elektrisignaalide mõõtmiseks kasutatakse elektrokardiogrammi (EKG või EKG) ning sellel on suur roll südame -veresoonkonna haiguste diagnoosimisel ja prognoosimisel. Osa EKG -st saadud teabest hõlmab patsiendi südamelöökide rütmi ja löögi tugevust. Iga EKG lainekuju genereeritakse südametsükli iteratsiooni teel. Andmed kogutakse patsiendi nahale asetatud elektroodi kaudu. Seejärel võimendatakse signaali ja filtreeritakse müra, et olemasolevaid andmeid õigesti analüüsida. Kogutud andmeid kasutades saavad teadlased mitte ainult diagnoosida südame -veresoonkonna haigusi, vaid ka EKG -l on olnud suur roll varjatumate haiguste mõistmise ja tunnustamise suurendamisel. EKG rakendamine on tunduvalt parandanud selliste seisundite ravi nagu arütmia ja isheemia [1].

Tarvikud:

See juhend on mõeldud virtuaalse EKG -seadme simuleerimiseks ja seetõttu on selle katse läbiviimiseks vaja ainult töötavat arvutit. Järgmiste simulatsioonide jaoks kasutatav tarkvara on LTspice XVII ja selle saab Internetist alla laadida.

1. samm: 1. samm: mõõteriistade võimendi

Vooluahela esimene komponent on mõõteriistade võimendi. Nagu nimigi ütleb, kasutatakse mõõteriistade võimendit signaali tugevuse suurendamiseks. Võimendamata või filtreerimata EKG signaali amplituud on ligikaudu 5 mV. Signaali filtreerimiseks tuleb seda võimendada. Selle vooluahela mõistlik võimendus peaks olema suur, et bioelektrilist signaali saaks nõuetekohaselt filtreerida. Seetõttu on selle vooluahela võimendus umbes 1000. Selle etapi piltidele on lisatud mõõteriistade võimendi üldine vorm [2]. Lisaks skeemi võimenduse võrranditele on iga komponendi jaoks arvutatud väärtused näidatud teisel pildil [3].

Võimendus on negatiivne, kuna pinge antakse operatsioonivõimendi pöördpingele. Teisel pildil näidatud väärtused leiti, seades väärtused R1, R2, R3 ja võimendused soovitud väärtusteks ning seejärel lahendades lõppväärtuse R4. Selle sammu kolmas pilt on simuleeritud vooluring LTspice'is koos täpsete väärtustega.

Vooluahela testimiseks nii tervikuna kui ka üksikute komponentidena tuleks läbi viia vahelduvvoolu (AC) analüüs. See analüüsivorm vaatab signaali suurust sageduste muutumisel. Seetõttu peaks vahelduvvoolu analüüsi pühkimise analüüsitüüp olema kümnend, sest see määrab x-telje skaleerimise ja soodustab tulemuste täpsemat lugemist. Aastakümne kohta peaks olema 100 andmepunkti. See edastab andmete suundumusi täpselt ilma programmi üle koormamata, tagades tõhususe. Algus- ja seiskamissageduse väärtused peaksid hõlmama mõlemat katkestussagedust. Seetõttu on mõistlik algsagedus 0,01 Hz ja mõistlik peatumissagedus 1 kHz. Seadmevõimendi sisendfunktsiooniks on siinuslaine, mille suurus on 5 mV. 5 mV vastab EKG signaali standardsele amplituudile [4]. Siinuslaine jäljendab EKG signaali muutuvaid aspekte. Kõik need analüüsiseaded, välja arvatud sisendpinge, on iga komponendi jaoks samad.

Lõplik pilt on mõõtevõimendi sagedusreaktsiooni graafik. See näitab, et mõõteriistade võimendi on võimeline suurendama sisendsignaali suurust umbes 1000 võrra. Soovitud võimendus mõõteriistade võimendi jaoks oli 1000. Simuleeritud mõõteriistvõimendi võimendus on 999,6, mis leiti teisel fotol näidatud võrrandi abil. Viga protsentides soovitud võimenduse ja eksperimentaalse võimenduse vahel on 0,04%. See on vastuvõetav vigade protsent.

2. samm: 2. samm: sälgufilter

Järgmine EKG -ahelas kasutatav komponent on aktiivne filter. Aktiivne filter on lihtsalt filter, mis vajab toimimiseks energiat. Selle ülesande jaoks on parim aktiivne filter, mida kasutatakse sälguga. Sälgufiltrit kasutatakse signaali eemaldamiseks ühel sagedusel või väga kitsas sagedusvahemikus. Selle vooluahela puhul on sälkfiltriga eemaldatav sagedus 60 Hz. 60 Hz on sagedus, millel elektriliinid töötavad ja on seetõttu seadmetega suur müraallikas. Elektriliini müra moonutab biomeditsiinilisi signaale ja vähendab andmete kvaliteeti [5]. Selle vooluahela jaoks kasutatava sälkfiltri üldine vorm on näidatud selle sammu esimesel fotol. Sälkfiltri aktiivne komponent on kinnitatud puhver. Puhvrit kasutatakse signaali eraldamiseks pärast sälgufiltrit. Kuna puhver on osa filtrist ja vajab töötamiseks energiat, on sälgufilter selle vooluahela aktiivne filtrikomponent.

Sälkfiltri takistus- ja kondensaatorikomponentide võrrand on näidatud teisel fotol [6]. Võrrandis on fN eemaldatav sagedus, mis on 60 Hz. Nagu mõõteriistade võimendi, saab kas takisti või kondensaatori väärtuseks seada mis tahes väärtuse ja teise väärtuse arvutada teisel fotol näidatud võrrandi abil. Selle filtri jaoks määrati C väärtuseks 1 µF ja ülejäänud väärtused leiti selle väärtuse põhjal. Kondensaatori väärtus otsustati mugavuse alusel. Teise foto tabelis on kasutatud väärtused 2R, R, 2C ja C.

Selle sammu kolmas pilt on täpsete väärtustega viimane sälguga filtriahel. Seda vooluahelat kasutades viidi AC Sweep analüüs läbi 5V. 5V vastab pingele pärast võimendust. Ülejäänud analüüsiparameetrid on samad, mis märgiti mõõteriistade võimendi etapis. Sagedusreaktsiooni graafik on näidatud viimasel fotol. Kasutades teisel fotol olevaid väärtusi ja võrrandeid, on sälkfiltri tegelik sagedus 61,2 Hz. Sälkfiltri soovitud väärtus oli 60 Hz. Kasutades protsendiviga võrrandit, on simuleeritud filtri ja teoreetilise filtri vahel 2% viga. See on vastuvõetav vigade hulk.

3. samm: 3. samm: madalpääsfilter

Viimane selles ahelas kasutatav osa on passiivne filter. Nagu varem mainitud, on passiivne filter filter, mis ei vaja toimimiseks toiteallikat. EKG jaoks on signaali müra nõuetekohaseks eemaldamiseks vaja nii kõrge- kui ka madalpääsfiltrit. Esimene vooluahelasse lisatava passiivse filtri tüüp on madalpääsfilter. Nagu nimigi ütleb, võimaldab see esmalt edastada signaali, mis jääb allapoole sagedust [7]. Madalpääsfiltri puhul peaks väljalülitamissagedus olema signaalivahemiku ülemine piir. Nagu varem mainitud, on EKG signaali ülemine vahemik 150 Hz [2]. Ülempiiri seadmisega ei kasutata signaalide hankimisel teiste signaalide müra.

Lõikesageduse võrrand on f = 1 / (2 * pi * R * C). Nagu ka eelmiste vooluahela komponentide puhul, saab R ja C väärtused leida, ühendades sageduse ja seadistades ühe komponendi väärtuse [7]. Madalpääsfiltri jaoks oli kondensaator seadistatud 1 µF ja soovitud katkestussagedus on 150 Hz. Lõikesageduse võrrandi abil arvutatakse takisti komponendi väärtus 1 kΩ. Selle sammu esimene pilt on täielik madalpääsfiltri skeem.

Samu sälgufiltri jaoks määratletud parameetreid kasutatakse madalpääsfiltri vahelduvvoolu pühkimise analüüsis, mis on näidatud teisel pildil. Selle komponendi puhul on soovitud piirisagedus 150 Hz ja võrrandit 3 kasutades on simuleeritud katkestussagedus 159 Hz. Selle vea protsent on 6%. Selle komponendi veaprotsent on suurem kui eelistatud, kuid komponendid valiti füüsiliseks ahelaks tõlkimise hõlbustamiseks. See on selgelt madalpääsfilter, mis põhineb teise pildi sagedusreaktsiooni graafikul, kuna ainult piirjoonest allpool olev signaal on võimeline läbima 5 V pinget ja sageduse lähenedes katkestussagedusele pinge väheneb.

4. samm: 4. samm: kõrgpääsfilter

Teine passiivne komponent EKG ahela jaoks on kõrgpääsfilter. Kõrgpääsfilter on filter, mis võimaldab läbida mis tahes piirväärtusest suuremat sagedust. Selle komponendi piirsagedus on 0,05 Hz. Taaskord on 0,05 Hz EKG signaalide vahemiku alumine ots [2]. Kuigi see väärtus on nii väike, peab signaali pinge nihke välja filtreerimiseks olema ikkagi kõrgpääsfilter. Seetõttu on kõrgpääsfilter endiselt vajalik vooluahela konstruktsioonis, isegi kui katkestussagedus on nii väike.

Lõikesageduse võrrand on sama mis madalpääsulülitusfiltril, f = 1 / (2 * pi * R * C). Takisti väärtuseks seati 50 kΩ ja soovitud katkestussagedus on 0,05 Hz [8]. Seda teavet kasutades arvutati kondensaatori väärtus 63 µF. Selle sammu esimene pilt on sobivate väärtustega kõrgpääsfilter.

Vahelduvvoolu pühkimise analüüs on teine filter. Sarnaselt madalpääsfiltriga väheneb väljundpinge signaali sageduse lähenemisel katkestussagedusele. Kõrgpääsfiltri puhul on soovitud katkestussagedus 0,05 Hz ja simuleeritud katkestussagedus 0,0505 Hz. See väärtus arvutati madalpääsulõike sageduse võrrandi abil. Selle komponendi viga on 1%. See on vastuvõetav protsentuaalne viga.

5. samm: 5. samm: täielik vooluring

Kogu vooluahel on konstrueeritud, ühendades järjestikku neli komponenti, mõõtevõimendi, sälgufiltri, madalpääsfiltri ja kõrgepääsfiltri. Selle sammu esimesel pildil on näidatud kogu vooluahela skeem.

Teisel joonisel näidatud simuleeritud reaktsioon toimib nii, nagu eeldati, et see põhineb selle vooluahela jaoks kasutatavate komponentide tüüpidel. Konstrueeritud vooluahel filtreerib välja müra nii EKG signaali alumisest kui ka ülemisest piirist ning filtreerib edukalt elektriliinide müra. Madalpääsfilter eemaldab edukalt signaali, mis jääb allapoole sagedust. Nagu on näidatud sagedusreaktsiooni graafikul, edastatakse signaal 0,01 Hz juures 1 V juures, mis on 5 korda väiksem kui soovitud väljund. Sageduse kasvades suureneb ka väljundpinge, kuni saavutab oma tipud 0,1 Hz juures. Tipp on umbes 5 V, mis on joondatud mõõteriistade võimendi võimendusega 1000. Signaal väheneb 5 V -lt alates 10 Hz. Selleks ajaks, kui sagedus on 60 Hz, pole vooluahelast signaali. See oli sälgufiltri eesmärk ja selle eesmärk oli neutraliseerida elektriliinide häireid. Kui sagedus ületab 60 Hz, hakkab pinge taas sagedusega suurenema. Lõpuks, kui sagedus jõuab 110 Hz -ni, jõuab signaal umbes 2 V sekundaarse tipuni. Sealt väheneb väljund madalpääsfiltri tõttu.

6. samm: järeldus

Selle ülesande eesmärk oli simuleerida automatiseeritud EKG -d, mis on võimeline südametsüklit täpselt registreerima. Selleks oli vaja analoogsignaali, mis oleks patsiendilt võetud, võimendada ja seejärel filtreerida, et see hõlmaks ainult EKG signaali. See saavutati, kasutades esmalt mõõteriistade võimendit, et suurendada signaali tugevust ligikaudu 1000 korda. Seejärel tuli signaalilt eemaldada elektriliinide müra, samuti müra EKG määratud sagedusvahemiku kohal ja all. See tähendas nii aktiivse sälguga filtri kui ka passiivse kõrge ja madalpääsu filtrite lisamist. Kuigi selle ülesande lõpptoode oli simuleeritud vooluring, esines siiski mõni vastuvõetav viga, võttes arvesse tavaliselt saadaolevate takistuslike ja mahtuvuslike komponentide standardväärtusi. Üldiselt toimis süsteem ootuspäraselt ja seda oleks üsna lihtne füüsiliseks vooluringiks üle viia.

Samm 7: Ressursid

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang ja S.-H. Tan, "Elektrokardiogrammi ajalugu, levialad ja suundumused", Geriatrilise kardioloogia ajakiri: JGC, juuli-2015. [Internetis]. Kättesaadav: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Kasutatud: 01-dets-2020].

[2] L. G. Tereštšenko ja M. E. Josephson, “Ventrikulaarse juhtivuse sagedus ja omadused,” Journal of electrocardiology, 2015. [Online]. Kättesaadav: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Kasutatud: 01-dets-2020].

[3] „Diferentsiaalvõimendi-pinge lahutaja”, Elektroonika põhijuhendid, 17. märts 2020. [Internetis]. Kättesaadav: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Kasutatud: 01-dets-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan ja P. Kinget, “EKG mõõtmissüsteem”, Columbia ülikool.

[5] S. Akwei-Sekyere, „Elektriliinide müra kõrvaldamine biomeditsiinilistes signaalides pimedate allikate eraldamise ja lainete analüüsi abil,” PeerJ, 02-juuli-2015. [Internetis]. Kättesaadav: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Kasutatud: 01-dets-2020].

[6] „Ribade peatamise filtreid nimetatakse tagasilükkamisfiltriteks”, Elektroonika põhijuhendid, 29. juuni 2020. [Internetis]. Kättesaadav: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Kasutatud: 01-dets-2020].

[7] „Madalpääsfilter-passiivse RC-filtri õpetus”, Elektroonika põhijuhendid, 1. mai 2020. [Internetis]. Kättesaadav: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Kasutatud: 01-dets-2020].

[8] „Kõrgpääsfilter-passiivse RC-filtri õpetus”, Elektroonika põhijuhendid, 05.03.2019. [Internetis]. Saadaval: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Kasutatud: 01-Dec-2020].