Automatizēta EKG- BME 305 galīgā projekta papildu kredīts: 7 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:51

Elektrokardiogrammu (EKG vai EKG) izmanto, lai izmērītu pukstošās sirds radītos elektriskos signālus, un tai ir liela nozīme sirds un asinsvadu slimību diagnostikā un prognozēšanā. Daļa no EKG iegūtās informācijas ietver pacienta sirdspukstu ritmu, kā arī sitienu stiprumu. Katru EKG viļņu formu ģenerē sirds cikla iterācija. Dati tiek savākti, izmantojot elektrodu, kas novietots uz pacienta ādas. Pēc tam signāls tiek pastiprināts un troksnis tiek filtrēts, lai pareizi analizētu esošos datus. Izmantojot apkopotos datus, pētnieki var ne tikai diagnosticēt sirds un asinsvadu slimības, bet arī EKG ir bijusi liela nozīme, lai palielinātu neskaidrāku slimību izpratni un atpazīšanu. EKG ieviešana ir ievērojami uzlabojusi tādu slimību ārstēšanu kā aritmija un išēmija [1].

Piegādes:

Šī pamācība ir paredzēta virtuālas EKG ierīces simulēšanai, un tāpēc viss, kas nepieciešams šī eksperimenta veikšanai, ir darba dators. Turpmākajās simulācijās izmantotā programmatūra ir LTspice XVII, un to var lejupielādēt no interneta.

1. darbība: 1. darbība: instrumentu pastiprinātājs

Ķēdes pirmā sastāvdaļa ir instrumentu pastiprinātājs. Kā norāda nosaukums, tiek izmantots instrumentu pastiprinātājs, lai palielinātu signāla lielumu. EKG signāla, kas netiek pastiprināts vai filtrēts, amplitūda ir aptuveni 5 mV. Lai filtrētu signālu, tas ir jāpastiprina. Saprātīgam šīs ķēdes ieguvumam vajadzētu būt lielam, lai bioelektriskais signāls tiktu pienācīgi filtrēts. Tāpēc šīs shēmas ieguvums būs aptuveni 1000. Šī soļa attēlos ir iekļauta instrumentu pastiprinātāja vispārējā forma [2]. Papildus shēmas pastiprinājuma vienādojumiem, katrai sastāvdaļai aprēķinātās vērtības ir parādītas otrajā attēlā [3].

Pastiprinājums ir negatīvs, jo spriegums tiek piegādāts operatīvā pastiprinātāja invertējošajai tapai. Otrajā attēlā redzamās vērtības tika atrastas, iestatot vērtības R1, R2, R3 un iegūt kā vēlamās vērtības un pēc tam atrisinot galīgo vērtību R4. Trešais šī soļa attēls ir simulētā ķēde LTspice, komplektā ar precīzām vērtībām.

Lai pārbaudītu ķēdi gan kopumā, gan kā atsevišķas sastāvdaļas, jāveic maiņstrāvas (AC) analīze. Šī analīzes forma aplūko signāla lielumu, mainoties frekvencēm. Tāpēc maiņstrāvas analīzes slaucīšanas analīzes veidam vajadzētu būt desmitgadei, jo tas nosaka x ass mērogošanu un veicina precīzāku rezultātu nolasīšanu. Desmit gadu laikā vajadzētu būt 100 datu punktiem. Tas precīzi atspoguļos datu tendences, nepārslogojot programmu, nodrošinot efektivitāti. Sākuma un beigu frekvences vērtībās jāiekļauj abas izslēgšanas frekvences. Tāpēc saprātīga sākuma frekvence ir 0,01 Hz, un saprātīga apstāšanās frekvence ir 1 kHz. Instrumentu pastiprinātājam ievades funkcija ir sinusa vilnis ar 5 mV lielumu. 5 mV atbilst EKG signāla standarta amplitūda [4]. Sinusa vilnis atdarina mainīgos EKG signāla aspektus. Visi šie analīzes iestatījumi, izņemot ieejas spriegumu, katram komponentam ir vienādi.

Pēdējais attēls ir instrumentu pastiprinātāja frekvences reakcijas diagramma. Tas parāda, ka instrumentu pastiprinātājs spēj palielināt ieejas signāla lielumu par aptuveni 1000. Mērinstrumentu pastiprinātājam vēlamais pastiprinājums bija 1000. Simulētā instrumentu pastiprinātāja pastiprinājums ir 999,6, kas atrasts, izmantojot otrajā fotoattēlā redzamo vienādojumu. Procentuālā kļūda starp vēlamo pieaugumu un eksperimentālo pieaugumu ir 0,04%. Tas ir pieņemams kļūdu procentuālais daudzums.

2. darbība: 2. darbība: iecirtuma filtrs

Nākamais EKG ķēdē izmantotais komponents ir aktīvs filtrs. Aktīvs filtrs ir tikai filtrs, kura darbībai nepieciešama strāva. Šim uzdevumam labākais aktīvais filtrs, kas jāizmanto, ir iecirtuma filtrs. Notch filtrs tiek izmantots, lai noņemtu signālu vienā frekvencē vai ļoti šaurā frekvenču diapazonā. Šīs shēmas gadījumā ar iecirtuma filtru noņemamā frekvence ir 60 Hz. 60 Hz ir frekvence, kurā darbojas elektrolīnijas, un tāpēc tas ir liels trokšņa avots ar ierīcēm. Elektrolīnijas troksnis kropļo biomedicīnas signālus un pasliktina datu kvalitāti [5]. Šai shēmai izmantotā iecirtuma filtra vispārējā forma ir parādīta šīs darbības pirmajā fotoattēlā. Izgriezuma filtra aktīvā sastāvdaļa ir pievienotais buferis. Buferis tiek izmantots, lai izolētu signālu pēc iecirtuma filtra. Tā kā buferis ir daļa no filtra un tam ir nepieciešama strāva, lai darbotos, iecirtuma filtrs ir šīs ķēdes aktīvā filtra sastāvdaļa.

Izgriezuma filtra pretestības un kondensatora komponentu vienādojums ir parādīts otrajā fotoattēlā [6]. Vienādojumā fN ir noņemamā frekvence, kas ir 60 Hz. Tāpat kā instrumentu pastiprinātājs, vai nu rezistora vai kondensatora vērtību var iestatīt uz jebkuru vērtību, bet otru vērtību aprēķināt pēc vienādojuma, kas parādīts otrajā fotoattēlā. Šim filtram C tika piešķirta vērtība 1 µF, un pārējās vērtības tika atrastas, pamatojoties uz šo vērtību. Kondensatora vērtību noteica, pamatojoties uz ērtībām. Otrajā fotoattēlā redzamajā tabulā parādītas izmantotās 2R, R, 2C un C vērtības.

Trešais attēls šim solim ir pēdējā iecirtuma filtra ķēde ar precīzām vērtībām. Izmantojot šo ķēdi, AC Sweep analīze tika veikta, izmantojot 5V. 5V atbilst spriegumam pēc pastiprināšanas. Pārējie analīzes parametri ir tādi paši kā norādīts instrumentu pastiprinātāja solī. Frekvences reakcijas diagramma ir parādīta pēdējā fotoattēlā. Izmantojot otrā fotoattēla vērtības un vienādojumus, iecirtuma filtra faktiskā frekvence ir 61,2 Hz. Vēlamā iecirtuma filtra vērtība bija 60 Hz. Izmantojot procentuālo kļūdu vienādojumu, starp simulēto filtru un teorētisko filtru ir 2% kļūda. Tas ir pieņemams kļūdu daudzums.

3. darbība: 3. darbība: zemas caurlaidības filtrs

Pēdējais šajā ķēdē izmantotais detaļas veids ir pasīvais filtrs. Kā jau minēts iepriekš, pasīvais filtrs ir filtrs, kura darbībai nav nepieciešams strāvas avots. Lai veiktu EKG, ir nepieciešams gan augstās, gan zemās caurlaides filtrs, lai pareizi noņemtu troksni no signāla. Pirmais ķēdei pievienojamais pasīvā filtra veids ir zemas caurlaidības filtrs. Kā norāda nosaukums, tas vispirms ļauj pārraidīt signālu zem robežvērtības [7]. Zemfrekvences filtram izslēgšanas frekvencei jābūt signāla diapazona augšējai robežai. Kā minēts iepriekš, EKG signāla augšējais diapazons ir 150 Hz [2]. Nosakot augšējo robežu, signālu iegūšanā netiek izmantots citu signālu radītais troksnis.

Izslēgšanas frekvences vienādojums ir f = 1 / (2 * pi * R * C). Tāpat kā iepriekšējos ķēdes komponentus, R un C vērtības var atrast, pievienojot frekvenci un iestatot vienu no komponentu vērtībām [7]. Zemfrekvences filtram kondensators tika iestatīts uz 1 µF, un vēlamā izslēgšanas frekvence ir 150 Hz. Izmantojot izslēgšanas frekvences vienādojumu, rezistora komponenta vērtība tiek aprēķināta kā 1 kΩ. Pirmais šīs darbības attēls ir pilnīga zemas caurlaidības filtra shēma.

Tie paši parametri, kas definēti iecirtuma filtram, tiek izmantoti zemas caurlaidības filtra maiņstrāvas slaucīšanas analīzei, kas parādīta otrajā attēlā. Šim komponentam vēlamā robežfrekvence ir 150 Hz, un, izmantojot 3. vienādojumu, simulētā izslēgšanas frekvence ir 159 Hz. Procentuālā kļūda ir 6%. Šī komponenta kļūdas procents ir lielāks nekā vēlamais, taču komponenti tika izvēlēti, lai atvieglotu tulkošanu fiziskajā ķēdē. Tas nepārprotami ir zemas caurlaides filtrs, kura pamatā ir frekvences reakcijas diagramma otrajā attēlā, jo tikai signāls zem robežfrekvences spēj iziet pie 5 V sprieguma, un, frekvencei tuvojoties izslēgšanas frekvencei, spriegums samazinās.

4. darbība: 4. darbība: augstās caurlaides filtrs

Otra EKG ķēdes pasīvā sastāvdaļa ir augstās caurlaides filtrs. Augstas caurlaidības filtrs ir filtrs, kas ļauj iziet cauri jebkurai frekvencei, kas ir lielāka par izslēgšanas frekvenci. Šim komponentam robežfrekvence būs 0,05 Hz. Vēlreiz 0,05 Hz ir EKG signālu diapazona apakšējais gals [2]. Lai gan vērtība ir tik maza, joprojām ir jābūt augstas caurlaidības filtram, lai filtrētu signāla sprieguma nobīdi. Tāpēc augstās caurlaidības filtrs joprojām ir nepieciešams ķēdes konstrukcijā, lai gan izslēgšanas frekvence ir tik maza.

Izslēgšanas frekvences vienādojums ir tāds pats kā zemas caurlaides izslēgšanas filtram, f = 1 / (2 * pi * R * C). Rezistora vērtība tika iestatīta uz 50 kΩ, un vēlamā izslēgšanas frekvence ir 0,05 Hz [8]. Izmantojot šo informāciju, kondensatora vērtība tika aprēķināta līdz 63 µF. Pirmais šīs darbības attēls ir augstās caurlaides filtrs ar atbilstošām vērtībām.

Maiņstrāvas slaucīšanas analīze ir otrais filtrs. Tāpat kā zemas caurlaidības filtram, signāla frekvencei tuvojoties izslēgšanas frekvencei, izejas spriegums samazinās. Augstās caurlaides filtram vēlamā izslēgšanas frekvence ir 0,05 Hz, bet simulētā robežfrekvence - 0,0505 Hz. Šī vērtība tika aprēķināta, izmantojot zemas caurlaidības izslēgšanas frekvences vienādojumu. Šī komponenta kļūda procentos ir 1%. Šī ir pieņemama procentuālā kļūda.

5. darbība: 5. darbība: pilna ķēde

Visa ķēde tiek veidota, sērijveidā savienojot četrus komponentus, instrumentu pastiprinātāju, iecirtuma filtru, zemas caurlaidības filtru un augstās caurlaidības filtru. Pilna shēmas shēma ir parādīta šī soļa pirmajā attēlā.

Simulētā reakcija, kas parādīta otrajā attēlā, darbojas tā, kā bija paredzēts, ka tā balstīsies uz šai shēmai izmantoto komponentu veidiem. Izstrādātā ķēde filtrē troksni gan pie EKG signāla apakšējās, gan augšējās robežas, kā arī veiksmīgi filtrē troksni no elektrolīnijām. Zemfrekvences filtrs veiksmīgi noņem signālu zem izslēgšanas frekvences. Kā parādīts frekvenču reakcijas diagrammā, pie 0,01 Hz signāls tiek izvadīts caur 1 V spriegumu, kas ir 5 reizes mazāks par vēlamo izeju. Palielinoties frekvencei, palielinās arī izejas spriegums, līdz sasniedz maksimumu pie 0,1 Hz. Maksimums ir aptuveni 5 V, kas ir saskaņots ar 1000 pastiprinājumu instrumentu pastiprinātājam. Signāls samazinās no 5 V, sākot no 10 Hz. Kad frekvence ir 60 Hz, ķēde neizvada signālu. Tas bija iecirtuma filtra mērķis, un tas bija paredzēts, lai novērstu elektrolīniju traucējumus. Kad frekvence pārsniedz 60 Hz, spriegums atkal sāk pieaugt līdz ar frekvenci. Visbeidzot, kad frekvence sasniedz 110 Hz, signāls sasniedz sekundāro maksimumu aptuveni 2 V. No turienes izeja samazinās zemfrekvences filtra dēļ.

6. darbība. Secinājums

Šī uzdevuma mērķis bija simulēt automatizētu EKG, kas spēj precīzi reģistrēt sirds ciklu. Lai to izdarītu, analogo signālu, kas būtu ņemts no pacienta, vajadzēja pastiprināt un pēc tam filtrēt, iekļaujot tikai EKG signālu. Tas tika paveikts, vispirms izmantojot instrumentu pastiprinātāju, lai palielinātu signāla lielumu aptuveni 1000 reizes. Tad no signāla bija jānoņem elektrolīniju troksnis, kā arī troksnis no EKG noteiktā frekvenču diapazona. Tas nozīmēja aktīvā iecirtuma filtra, kā arī pasīvo augstās un zemās caurlaides filtru iekļaušanu. Lai gan šī uzdevuma galaprodukts bija simulēta ķēde, joprojām bija kāda pieņemama kļūda, ņemot vērā parasti pieejamās pretestības un kapacitatīvo komponentu standarta vērtības. Kopumā sistēma darbojās, kā paredzēts, un to varētu diezgan viegli pārvērst fiziskajā ķēdē.

7. solis: resursi

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Džans, H.-B. Vangs un S.-H. Tan, “Elektrokardiogrammas vēsture, karstie punkti un tendences”, Geriatriskās kardioloģijas žurnāls: JGC, 2015. gada jūlijs. [Tiešsaistē]. Pieejams: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Skatīts: 2020. gada 1. decembris].

[2] L. G. Tereščenko un M. E. Džozefsons, “Sirds kambaru vadīšanas biežuma saturs un raksturojums”, Journal of electrocardiology, 2015. [Online]. Pieejams: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Skatīts: 2020. gada 1. decembris].

[3] “Diferenciālais pastiprinātājs-sprieguma atņemējs”, Elektronikas pamatmācības, 2020. gada 17. marts. [Tiešsaistē]. Pieejams: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Skatīts: 2020. gada 1. decembris].

[4] C.-H. Čens, S.-G. Pan un P. Kinget, “EKG mērīšanas sistēma”, Kolumbijas universitāte.

[5] S. Akwei-Sekyere, “Elektrolīnijas trokšņu novēršana biomedicīnas signālos, izmantojot aklo avotu atdalīšanu un viļņu analīzi,” PeerJ, 2015. gada 2. jūlijs. [Tiešsaistē]. Pieejams: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Skatīts: 2020. gada 1. decembris].

[6] “Joslas pārtraukšanas filtrus sauc par noraidīšanas filtriem”, Elektronikas pamatmācības, 2020. gada 29. jūnijs. [Tiešsaistē]. Pieejams: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Skatīts: 2020. gada 1. decembris].

[7] “Zemas caurlaidības filtrs-pasīvā RC filtra apmācība”, Pamata elektronikas pamācības, 2020. gada 1. maijs. [Tiešsaistē]. Pieejams: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Skatīts: 2020. gada 1. decembris].

[8] “Augstās caurlaides filtrs-pasīvā RC filtra apmācība”, Elektronikas pamācības, 05.03.2019. [Tiešsaistē]. Pieejams: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Skatīts: 2020. gada 1. decembris].