Automatizált EKG-BME 305 Végső projekt Extra jóváírás: 7 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:39

Elektrokardiogrammal (EKG vagy EKG) mérik a dobogó szív által kibocsátott elektromos jeleket, és nagy szerepet játszik a szív- és érrendszeri betegségek diagnosztizálásában és prognózisában. Az EKG -n szerzett információk egy része magában foglalja a beteg szívverésének ritmusát, valamint az ütés erősségét. Minden EKG hullámformát a szívciklus iterációja hoz létre. Az adatokat a páciens bőrére helyezett elektródán keresztül gyűjtik. A jelet ezután felerősítik, és a zajt kiszűrik a meglévő adatok megfelelő elemzése érdekében. Az összegyűjtött adatok felhasználásával a kutatók nemcsak a szív- és érrendszeri betegségeket diagnosztizálják, hanem az EKG is nagy szerepet játszott a homályosabb betegségek megértésének és felismerésének növelésében. Az EKG alkalmazása jelentősen javította az olyan betegségek kezelését, mint az aritmia és az ischaemia [1].

Kellékek:

Ez az utasítás virtuális EKG -eszköz szimulálására szolgál, ezért a kísérlet elvégzéséhez csak egy működő számítógépre van szükség. A következő szimulációkhoz használt szoftver az LTspice XVII, és letölthető az internetről.

1. lépés: 1. lépés: Műszeres erősítő

Az áramkör első összetevője egy műszeres erősítő. Ahogy a neve is sugallja, a műszeres erősítőt használják a jel nagyságának növelésére. A nem erősített vagy szűrt EKG jel amplitúdója nagyjából 5 mV. A jel szűréséhez erősíteni kell. Ennek az áramkörnek az ésszerű nyereségnek nagynak kell lennie ahhoz, hogy a bioelektromos jelet megfelelően lehessen szűrni. Ezért ennek az áramkörnek a nyeresége körülbelül 1000 lesz. A műszeres erősítő általános formáját a képek tartalmazzák ehhez a lépéshez [2]. Ezen kívül az áramkör erősítésének egyenletei, az egyes komponensekre kiszámított értékek a második képen láthatók [3].

Az erősítés negatív, mert a feszültséget a műveleti erősítő invertáló tüskéje táplálja. A második képen látható értékeket úgy találtuk meg, hogy az R1, R2, R3 és a nyereség értékeket a kívánt értékekként állítottuk be, majd megoldottuk az R4 végső értéket. Ennek a lépésnek a harmadik képe az LTspice szimulált áramköre, pontos értékekkel kiegészítve.

Annak érdekében, hogy az áramkört tesztelni lehessen, egészében és különálló alkatrészeként, váltakozó áramú (AC) elemzést kell végezni. Ez az elemzési forma a jel nagyságát nézi, amikor a frekvenciák változnak. Ezért a váltakozó áramú elemzés söprésének elemzési típusának egy évtizednek kell lennie, mert ez határozza meg az x tengely skálázását, és jobban elősegíti az eredmények pontos leolvasását. Évtizedenként 100 adatpontnak kell lennie. Ez pontosan közvetíti az adatok tendenciáit anélkül, hogy túlterhelné a programot, biztosítva a hatékonyságot. Az indítási és leállítási frekvenciaértékeknek mindkét határfrekvenciát magukban kell foglalniuk. Ezért az ésszerű indítási frekvencia 0,01 Hz, az ésszerű leállítási frekvencia pedig 1 kHz. A műszeres erősítő esetében a bemeneti funkció 5 mV nagyságú szinuszhullám. Az 5 mV megfelel az EKG jel standard amplitúdójának [4]. A szinuszhullám utánozza az EKG jel változó aspektusait. Mindezek az elemzési beállítások, a bemeneti feszültség kivételével, minden komponensnél azonosak.

A végső kép a műszeres erősítő frekvenciaválaszrajza. Ez azt mutatja, hogy a műszeres erősítő körülbelül 1000 -rel képes növelni a bemeneti jel nagyságát. A műszer -erősítő kívánt erősítése 1000 volt. A szimulált műszererősítő erősítése 999,6, amelyet a második képen látható egyenlet segítségével találunk. A százalékos hiba a kívánt nyereség és a kísérleti nyereség között 0,04%. Ez elfogadható százalékos hiba.

2. lépés: 2. lépés: bevágásszűrő

Az EKG áramkör következő komponense egy aktív szűrő. Az aktív szűrő csak az a szűrő, amely működéshez áramot igényel. Ehhez a hozzárendeléshez a legjobb aktív szűrő a bevágásos szűrő. Egy bevágásos szűrőt használnak a jel eltávolítására egyetlen frekvencián vagy nagyon szűk frekvenciatartományban. Ebben az áramkörben a bevágó szűrővel eltávolítandó frekvencia 60 Hz. A 60 Hz az a frekvencia, amelyen az elektromos vezetékek működnek, és ezért nagy zajforrás az eszközöknél. Az áramvezeték -zaj torzítja az orvosbiológiai jeleket és csökkenti az adatok minőségét [5]. Az ehhez az áramkörhöz használt hornyos szűrő általános formáját az első fotó mutatja. A bevágásszűrő aktív összetevője a csatlakoztatott puffer. A puffert a bemetszéses szűrő utáni jel elkülönítésére használják. Mivel a puffer a szűrő része, és működéséhez áramra van szüksége, a bevágásos szűrő ennek az áramkörnek az aktív szűrőkomponense.

A bemetszéses szűrő ellenálló és kondenzátor komponenseinek egyenlete a második fotón látható [6]. Az egyenletben fN az eltávolítandó frekvencia, ami 60 Hz. Akárcsak a műszeres erősítő, akár az ellenállás, akár a kondenzátor értéke bármilyen értékre állítható, a másik érték pedig a második képen látható egyenlettel számítható. Ehhez a szűrőhöz a C 1 µF értéket kapott, és a többi értéket ezen érték alapján találtuk meg. A kondenzátor értékét a kényelem alapján határozták meg. A második képen látható táblázat a 2R, R, 2C és C értékeket mutatja.

Ennek a lépésnek a harmadik képe a végső bevágásos szűrőkör pontos értékekkel. Ezt az áramkört használva az AC Sweep elemzést 5 V -os feszültséggel hajtottuk végre. Az 5V megfelel az erősítés utáni feszültségnek. A többi elemzési paraméter megegyezik a műszeres erősítő lépésben leírtakkal. A frekvenciaválasz diagramja az utolsó fotón látható. A második fotó értékeit és egyenleteit felhasználva a bevágásos szűrő tényleges frekvenciája 61,2 Hz. A bevágott szűrő kívánt értéke 60 Hz volt. A százalékos hibaegyenlet használatával a szimulált szűrő és az elméleti szűrő között 2% hiba van. Ez elfogadható mennyiségű hiba.

3. lépés: 3. lépés: Aluláteresztő szűrő

Az áramkörben használt utolsó típusú alkatrész a passzív szűrő. Mint korábban említettük, a passzív szűrő olyan szűrő, amely működéséhez nem igényel áramforrást. Az EKG esetében mind a felül-, mind az aluláteresztő szűrő szükséges a zaj megfelelő eltávolításához a jelből. Az első típusú passzív szűrő, amelyet hozzá kell adni az áramkörhöz, egy aluláteresztő szűrő. Ahogy a neve is sugallja, ez először a határfrekvencia alatti jelet engedi át [7]. Az aluláteresztő szűrő esetében a levágási frekvencia a jeltartomány felső határa legyen. Amint korábban említettük, az EKG jel felső tartománya 150 Hz [2]. A felső határ beállításával az egyéb jelekből származó zaj nem kerül felhasználásra a jelvétel során.

A levágási frekvencia egyenlete f = 1 / (2 * pi * R * C). A korábbi áramköri komponensekhez hasonlóan az R és C értékek a frekvencia csatlakoztatásával és az egyik komponensérték beállításával találhatók meg [7]. Az aluláteresztő szűrőnél a kondenzátort 1 µF -ra állították be, és a kívánt levágási frekvencia 150 Hz. A levágási frekvenciaegyenlet segítségével az ellenállás komponens értéke 1 kΩ. Ennek a lépésnek az első képe egy teljes aluláteresztő szűrő.

A második képen látható aluláteresztő szűrő AC Sweep elemzéséhez ugyanazokat a paramétereket használják, mint a hornyos szűrő. Ennél a komponensnél a kívánt határfrekvencia 150 Hz, a 3. egyenletet használva pedig a szimulált levágási frekvencia 159 Hz. Ennek százalékos hibája 6%. Ennek a komponensnek a százalékos hibája magasabb, mint az előnyben részesített, de az összetevőket úgy választották ki, hogy megkönnyítsék a fizikai áramkörre történő lefordítást. Ez egyértelműen aluláteresztő szűrő, a második kép frekvenciaválasz -diagramja alapján, mivel csak a határfrekvencia alatti jel képes áthaladni 5 V -nál, és ahogy a frekvencia megközelíti a levágási frekvenciát, a feszültség csökken.

4. lépés: 4. lépés: High Pass szűrő

Az EKG áramkör második passzív komponense a felüláteresztő szűrő. A felüláteresztő szűrő olyan szűrő, amely lehetővé teszi a határfrekvenciánál nagyobb frekvencia áthaladását. Ennek az alkatrésznek a határfrekvenciája 0,05 Hz lesz. Ismét 0,05 Hz az EKG jelek tartományának alsó vége [2]. Annak ellenére, hogy az érték olyan kicsi, továbbra is szükség van egy felüláteresztő szűrőre, hogy kiszűrje a jelben lévő feszültségeltolódást. Ezért a felüláteresztő szűrő továbbra is szükséges az áramkör kialakításában, annak ellenére, hogy a határfrekvencia olyan kicsi.

A határfrekvencia egyenlete megegyezik az aluláteresztő szűrővel, f = 1 / (2 * pi * R * C). Az ellenállás értékét 50 kΩ -ra állították, és a kívánt levágási frekvencia 0,05 Hz [8]. Ezen információk felhasználásával a kondenzátor értékét 63 µF -ra számítottuk. Ennek a lépésnek az első képe a felüláteresztő szűrő a megfelelő értékekkel.

Az AC Sweep Analysis a második szűrő. Az aluláteresztő szűrőhöz hasonlóan, amikor a jel frekvenciája megközelíti a levágási frekvenciát, a kimeneti feszültség csökken. A felüláteresztő szűrő esetében a kívánt levágási frekvencia 0,05 Hz, a szimulált határfrekvencia pedig 0,0505 Hz. Ezt az értéket az aluláteresztő levágási frekvencia egyenletével számították ki. Ennek a komponensnek a százalékos hibája 1%. Ez elfogadható százalékos hiba.

5. lépés: 5. lépés: Teljes kör

Az egész áramkört a négy komponens, a műszererősítő, a bemetszéses szűrő, az aluláteresztő szűrő és a felüláteresztő szűrő soros összekapcsolásával hozzák létre. A teljes kapcsolási rajz az első képen látható erre a lépésre.

A második ábrán látható szimulált válasz úgy működik, ahogy várhatóan az áramkörhöz használt alkatrészek típusain alapul. A tervezett áramkör kiszűri a zajt az EKG jel alsó és felső határán, valamint sikeresen kiszűri a zajt az elektromos vezetékekről. Az aluláteresztő szűrő sikeresen eltávolítja a jelet a levágási frekvencia alatt. Amint az a Frekvencia válasz diagramon látható, 0,01 Hz -en a jelet 1 V -on vezetik át, ez az érték ötször kisebb, mint a kívánt kimenet. A frekvencia növekedésével a kimeneti feszültség is növekszik, amíg eléri csúcspontját 0,1 Hz -en. A csúcs 5 V körül van, ami a műszeres erősítő 1000 -es erősítésével igazodik. A jel 5 V -ról 10 Hz -ről csökken. Mire a frekvencia 60 Hz, az áramkör nem ad ki jelet. Ez volt a bevágó szűrő célja, és az, hogy ellensúlyozza az elektromos vezetékek interferenciáját. Miután a frekvencia meghaladja a 60 Hz -et, a feszültség ismét növekedni kezd a frekvenciával. Végül, amint a frekvencia eléri a 110 Hz -t, a jel eléri a másodlagos csúcsot, nagyjából 2 V -ot. Innen a kimenet csökken az aluláteresztő szűrő miatt.

6. lépés: Következtetés

Ennek a feladatnak az volt a célja, hogy szimulálja az automatizált EKG -t, amely képes a szívciklus pontos rögzítésére. Ennek érdekében a pácienstől vett analóg jelet erősíteni kell, majd szűrni, hogy csak az EKG jelet tartalmazza. Ezt úgy érték el, hogy először műszeres erősítőt használtak, hogy a jel nagyságát nagyjából 1000 -szeresére növeljék. Ezután el kellett távolítani az elektromos vezetékek zaját a jelből, valamint az EKG kijelölt frekvenciatartománya fölött és alatt érkező zajt. Ez azt jelentette, hogy aktív bevágású szűrőt, valamint passzív felső és aluláteresztő szűrőket kell beépíteni. Annak ellenére, hogy ennek a feladatnak a végterméke egy szimulált áramkör volt, még mindig volt néhány elfogadható hiba, figyelembe véve az általában rendelkezésre álló ellenálló és kapacitív alkatrészek szabványos értékeit. Összességében a rendszer a várt módon működött, és meglehetősen könnyen át lehetett volna váltani egy fizikai áramkörbe.

7. lépés: Erőforrások

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang és S.-H. Tan, „Az elektrokardiogram története, hotspotjai és trendjei”, Journal of geriatric cardiology: JGC, 2015. július. [Online]. Elérhető: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Hozzáférés: 2020. december 01].

[2] L. G. Terescsenko és M. E. Josephson, „A kamrai vezetés gyakorisága és jellemzői”, Journal of electrocardiology, 2015. [Online]. Elérhető: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Hozzáférés: 2020. december 01].

[3] „Differenciálerősítő-A feszültség kivonója”, Alapvető elektronikai oktatóanyagok, 2020. március 17. [Online]. Elérhető: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Hozzáférés: 2020. december 01].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan és P. Kinget, „EKG -mérési rendszer”, Columbia Egyetem.

[5] S. Akwei-Sekyere, „Powerline zajszűrés az orvosbiológiai jelekben a vakforrás-szétválasztás és a hullámvizsgálat révén”, PeerJ, 2015. július 2. [Online]. Elérhető: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Hozzáférés: 2020. december 01].

[6] „A sávszűrő szűrőket elutasító szűrőknek hívják”, Basic Electronics Tutorials, 2020. június 29. [Online]. Elérhető: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Hozzáférés: 2020. december 01].

[7] „Aluláteresztő szűrő-passzív RC szűrő bemutató”, Alapvető elektronikai oktatóanyagok, 2020. május 1. [Online]. Elérhető: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Hozzáférés: 2020. december 01].

[8] „High Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial”, Basic Electronics Tutorials, 05-március-2019. [Online]. Elérhető: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Hozzáférés: 2020. december 01].