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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:32

Elektrokardiogram (EKG ili EKG) koristi se za mjerenje električnih signala koje proizvodi srce koje ima otkucaje srca 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. Svaki EKG valni oblik 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. Provođenje EKG -a uvelike je poboljšalo liječenje stanja poput aritmije i ishemije [1].

Pribor:

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

Korak 1: Korak 1: Instrumentalno pojačalo

Prva komponenta kruga je instrumentacijsko pojačalo. Kao što naziv govori, koristi se instrumentalno 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 ovaj krug morao bi biti velik kako bi bioelektrični signal bio prikladno filtriran. Stoga će dobitak ovog kruga biti oko 1000. Opći oblik instrumentalnog pojačala uključen je u slike za ovaj korak [2]. Osim toga, jednadžbe za pojačanje kruga, vrijednosti izračunate za svaku komponentu prikazane su na drugoj slici [3].

Dobit je negativna jer se napon dovodi na invertirajući pin operacijskog pojačala. Vrijednosti prikazane na drugoj slici pronađene su 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, zajedno s točnim vrijednostima.

Kako bi se ispitao krug, kao cjelina i kao pojedinačne komponente, potrebno je provesti analizu izmjenične struje (AC). Ovaj oblik analize gleda na veličinu signala pri promjeni frekvencija. Stoga bi vrsta analize AC analize trebala biti desetljeće jer postavlja skalu osi x i pogodnija je za točno čitanje rezultata. Svakog desetljeća trebalo bi biti 100 podatkovnih točaka. To će točno prenijeti trendove u podacima bez preopterećenja programa, osiguravajući učinkovitost. Vrijednosti početne i zaustavne frekvencije trebaju obuhvaćati 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 instrumentalno pojačalo. Ovo pokazuje da instrumentacijsko pojačalo može povećati veličinu ulaznog signala za oko 1000. Željeni dobitak za instrumentalno pojačalo bio je 1000. Dobit simuliranog instrumentalnog pojačala je 999,6, pronađeno pomoću jednadžbe prikazane na drugoj fotografiji. Postotak pogreške između željenog i eksperimentalnog dobitka je 0,04%. Ovo je prihvatljiv iznos postotne pogreške.

Korak 2: Korak 2: Notch filter

Sljedeća komponenta koja se koristi u EKG krugu je aktivni filter. Aktivni filtar je samo filter koji zahtijeva napajanje kako bi funkcionirao. Za ovu dodjelu najbolji aktivni filtar koji se koristi je filter s usjekom. 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 filtrom je 60 Hz. 60 Hz je frekvencija na kojoj rade dalekovodi i stoga je veliki izvor buke s uređajima. Šum električnog voda iskrivljuje biomedicinske signale i smanjuje kvalitetu podataka [5]. Opći oblik urezanog filtera koji se koristi za ovaj krug 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 filtra i za rad mu je potrebno napajanje, urezani filter aktivna je komponenta filtra u ovom krugu.

Jednadžba za otporničke komponente i kondenzatorske komponente usjeknog filtra 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 filtar, C je dodijeljena vrijednost od 1 µF, a ostale vrijednosti su pronađene na temelju 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 završni krug filtera s zarezima s točnim vrijednostima. Koristeći taj krug, analiza AC Sweep provedena je pomoću 5V. 5V odgovara naponu nakon pojačanja. Ostali parametri analize isti su kao što je navedeno u koraku instrumentalnog 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 pogreške, postoji 2% pogreške između simuliranog filtra i teoretskog filtra. Ovo je prihvatljiv iznos pogreške.

Korak 3: Korak 3: Niskopropusni filtar

Posljednja vrsta 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 filtar za pravilno uklanjanje šuma iz signala. Prva vrsta pasivnog filtra koji se dodaje u krug je niskopropusni filtar. Kako naziv govori, ovo prvo omogućuje prolaz signala ispod granične frekvencije [7]. Za niskopropusni filtar, granična frekvencija trebala bi biti gornja granica raspona signala. Kao što je prethodno spomenuto, gornji raspon EKG signala je 150 Hz [2]. Postavljanjem gornje granice, šum drugih signala ne koristi se u prikupljanju signala.

Jednadžba za graničnu frekvenciju je f = 1 / (2 * pi * R * C). Kao i kod prethodnih komponenti kruga, 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 odsječene 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. To ima postotak pogreške od 6%. Postotak pogreške za ovu komponentu veći je od preferiranog, ali su komponente odabrane radi lakšeg prijevoda u fizički krug. Ovo je očito niskopropusni filter, temeljen na grafikonu frekvencijskog odziva na drugoj slici, jer samo signal ispod granične frekvencije može proći pri 5 V, a kako se frekvencija približavala graničnoj frekvenciji, napon se smanjuje.

Korak 4: Korak 4: Visokopropusni filtar

Druga pasivna komponenta za EKG krug je visokopropusni filter. Visokopropusni filtar je filter koji omogućuje prolaz bilo kojoj frekvenciji većoj od granične. Za ovu će komponentu granična frekvencija 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 filtar još uvijek potreban u dizajnu kruga, iako je granična frekvencija tako mala.

Jednadžba za graničnu frekvenciju ista je 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]. Pomoću tih podataka vrijednost kondenzatora izračunata je na 63 µF. Prva slika za ovaj korak je visokopropusni filter s odgovarajućim vrijednostima.

Analiza čišćenja izmjeničnim naponom drugi je filter. Poput niskopropusnog filtra, kako se frekvencija signala približava graničnoj frekvenciji, izlazni napon se smanjuje. Za visokopropusni filtar željena granična frekvencija je 0,05 Hz, a simulirana granična frekvencija 0,0505 Hz. Ova je vrijednost izračunata pomoću jednadžbe frekvencije odsjecanja niskih prolaza. Postotak pogreške za ovu komponentu je 1%. Ovo je prihvatljiv postotak pogreške.

Korak 5: Korak 5: Puni krug

Cijeli krug izgrađen je serijskim spajanjem četiri komponente, instrumentalnog pojačala, usjeknog filtera, niskopropusnog filtra i visokopropusnog filtra. Potpuni dijagram kola prikazan je na prvoj slici za ovaj korak.

Simulirani odziv prikazan na drugoj slici djeluje onako kako se očekivalo da se temelji na vrstama komponenti koje se koriste za ovaj krug. Dizajnirani krug filtrira šum i na donjoj i na gornjoj granici EKG signala, kao i uspješno filtrira šum iz dalekovoda. Niskopropusni filtar 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 također raste 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 s 5 V počevši od 10 Hz. Do trenutka kada je frekvencija 60 Hz, krug ne emitira signal. To je bila svrha usjeknog filtra i njegova je namjera bila spriječiti smetnje dalekovoda. Nakon što frekvencija pređe 60 Hz, napon ponovno počinje rasti s frekvencijom. Konačno, kad frekvencija dosegne 110 Hz, signal doseže 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 točno 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 korištenjem instrumentalnog pojačala za povećanje veličine signala otprilike 1000 puta. Tada je iz signala trebalo ukloniti šum električnih vodova, kao i šum odozgo i ispod predviđenog frekvencijskog područja EKG -a. To je značilo ugradnju aktivnog filtera s urezima, kao i pasivnih filtera visokih i niskih prolaza. Iako je konačni proizvod za ovu dodjelu bio simulirani krug, ipak je postojala neka prihvatljiva pogreška, uzimajući u obzir standardne vrijednosti za otporničke i kapacitivne komponente koje su normalno dostupne. Uglavnom, sustav se ponašao prema očekivanjima i mogao bi se prilično lako prebaciti u fizički krug.

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, srpanj-2015. [Na liniji]. Dostupno: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Pristupljeno: 01. 12. 2020.]

[2] L. G. Tereshchenko i M. E. Josephson, "Sadržaj učestalosti 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. ožujka 2020. [Na liniji]. 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", Sveučilište Columbia.

[5] S. Akwei-Sekyere, „Uklanjanje šuma elektroenergetskog napona u biomedicinskim signalima putem razdvajanja slijepih izvora i analize valnih valova“, PeerJ, 02. srpnja 2015. [Na liniji]. 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. lipnja 2020. [Na liniji]. Dostupno: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Pristupljeno: 01. 12. 2020.]

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

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