Automaattinen EKG-BME 305 Lopullinen projekti Lisäluotto: 7 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 08:59

Elektrokardiogrammia (EKG tai EKG) käytetään mittaamaan sykkivän sydämen tuottamia sähköisiä signaaleja, ja sillä on suuri rooli sydän- ja verisuonitautien diagnosoinnissa ja ennustamisessa. Osa EKG: stä saaduista tiedoista sisältää potilaan sydämenlyönnin rytmin sekä lyönnin voimakkuuden. Jokainen EKG -aaltomuoto syntyy sydämen syklin iteroinnilla. Tiedot kerätään potilaan iholle asetetun elektrodin kautta. Signaalia vahvistetaan ja kohina suodatetaan läsnä olevan datan analysoimiseksi oikein. Käyttämällä kerättyjä tietoja tutkijat voivat diagnosoida paitsi sydän- ja verisuonitauteja, myös EKG: llä on ollut suuri rooli epäselvempien sairauksien ymmärtämisen ja tunnistamisen lisäämisessä. EKG: n käyttöönotto on parantanut huomattavasti sellaisten tilojen hoitoa kuin rytmihäiriöt ja iskemia [1].

Tarvikkeet:

Tämä ohje on tarkoitettu virtuaalisen EKG -laitteen simulointiin, ja siksi kaikki, mitä tämän kokeilun suorittamiseen tarvitaan, on toimiva tietokone. Seuraavissa simulaatioissa käytetty ohjelmisto on LTspice XVII ja sen voi ladata Internetistä.

Vaihe 1: Vaihe 1: Mittarivahvistin

Piirin ensimmäinen komponentti on instrumenttivahvistin. Kuten nimestä voi päätellä, instrumenttivahvistinta käytetään lisäämään signaalin suuruutta. EKG -signaalin, jota ei vahvisteta tai suodateta, amplitudi on noin 5 mV. Signaalin suodattamiseksi sitä on vahvistettava. Tämän piirin kohtuullisen vahvistuksen pitäisi olla suuri, jotta biosähköinen signaali suodatetaan asianmukaisesti. Siksi tämän piirin vahvistus on noin 1000. Instrumenttivahvistimen yleinen muoto sisältyy tämän vaiheen kuviin [2]. Lisäksi piirin vahvistuksen yhtälöt, kullekin komponentille lasketut arvot näkyvät toisessa kuvassa [3].

Vahvistus on negatiivinen, koska jännite syötetään operaatiovahvistimen kääntötappiin. Toisessa kuvassa näkyvät arvot löydettiin asettamalla arvot R1, R2, R3 ja vahvistus halutuksi arvoksi ja ratkaisemalla sitten lopullinen arvo R4. Kolmas kuva tähän vaiheeseen on simuloitu piiri LTspicessä, jossa on tarkat arvot.

Jotta piiri voidaan testata sekä kokonaisuutena että yksittäisinä osina, on suoritettava vaihtovirta -analyysi. Tässä analyysimuodossa tarkastellaan signaalin suuruutta taajuuksien muuttuessa. Siksi AC-analyysin pyyhkäisytyypin tulisi olla vuosikymmen, koska se asettaa x-akselin skaalauksen ja helpottaa tulosten tarkkaa lukemista. Vuosikymmenen aikana datapisteitä pitäisi olla 100. Tämä välittää datan suuntaukset tarkasti ilman ohjelman ylikuormitusta ja varmistaa tehokkuuden. Käynnistys- ja pysäytystaajuusarvojen tulee kattaa molemmat katkaisutaajuudet. Siksi kohtuullinen käynnistystaajuus on 0,01 Hz ja kohtuullinen pysäytystaajuus on 1 kHz. Instrumenttivahvistimen tulotoiminto on siniaalto, jonka suuruus on 5 mV. 5 mV vastaa EKG -signaalin vakioamplitudia [4]. Siniaalto jäljittelee EKG -signaalin muuttuvia piirteitä. Kaikki nämä analyysiasetukset, lukuun ottamatta tulojännitettä, ovat samat kullekin komponentille.

Lopullinen kuva on instrumenttivahvistimen taajuusvastekaavio. Tämä osoittaa, että instrumentointivahvistin pystyy lisäämään tulosignaalin suuruutta noin 1000: lla. Instrumenttivahvistimen haluttu vahvistus oli 1000. Simuloidun instrumentointivahvistimen vahvistus on 999,6, joka löydetään käyttämällä toisessa kuvassa esitettyä yhtälöä. Prosenttivirhe halutun vahvistuksen ja kokeellisen vahvistuksen välillä on 0,04%. Tämä on hyväksyttävä prosenttiosuusvirhe.

Vaihe 2: Vaihe 2: Lovisuodatin

Seuraava EKG -piirissä käytetty komponentti on aktiivinen suodatin. Aktiivinen suodatin on vain suodatin, joka vaatii virtaa toimiakseen. Tässä tehtävässä paras aktiivinen suodatin, jota käytetään, on lovisuodatin. Lovisuodatinta käytetään signaalin poistamiseen yhdellä taajuudella tai hyvin kapealla taajuusalueella. Tämän piirin tapauksessa lovisuodattimella poistettava taajuus on 60 Hz. 60 Hz on taajuus, jolla sähkölinjat toimivat, ja siksi se on suuri melulähde laitteiden kanssa. Sähkölinjan melu vääristää lääketieteellisiä signaaleja ja heikentää tietojen laatua [5]. Tässä piirissä käytetyn lovisuodattimen yleinen muoto on esitetty tämän vaiheen ensimmäisessä valokuvassa. Lovisuodattimen aktiivinen komponentti on puskuri, joka on kiinnitetty. Puskuria käytetään signaalin eristämiseen lovisuodattimen jälkeen. Koska puskuri on osa suodatinta ja se tarvitsee virtaa toimiakseen, lovisuodatin on tämän piirin aktiivinen suodatinkomponentti.

Lokisuodattimen resistiivisten ja kondensaattorikomponenttien yhtälö näkyy toisessa kuvassa [6]. Yhtälössä fN on poistettava taajuus, joka on 60 Hz. Kuten instrumentointivahvistin, joko vastuksen tai kondensaattorin arvo voidaan asettaa mihin tahansa arvoon ja toinen arvo lasketaan toisessa kuvassa esitetyn yhtälön avulla. Tätä suodatinta varten C: lle määritettiin arvo 1 µF ja loput arvot löydettiin tämän arvon perusteella. Kondensaattorin arvo päätettiin mukavuuden perusteella. Toisen valokuvan taulukossa näkyvät käytetyt arvot 2R, R, 2C ja C.

Kolmas kuva tässä vaiheessa on viimeinen lovi -suodatinpiiri, jossa on tarkat arvot. Tätä piiriä käyttäen AC Sweep -analyysi suoritettiin käyttäen 5V. 5V vastaa jännitettä vahvistuksen jälkeen. Loput analyysiparametrit ovat samat kuin mitattu instrumentin vahvistinvaiheessa. Taajuusvastekaavio näkyy viimeisessä kuvassa. Toisen kuvan arvoja ja yhtälöitä käyttäen lovisuodattimen todellinen taajuus on 61,2 Hz. Lovisuodattimen haluttu arvo oli 60 Hz. Prosenttivirheyhtälön avulla simuloidun suodattimen ja teoreettisen suodattimen välillä on 2% virhe. Tämä on hyväksyttävä virhemäärä.

Vaihe 3: Vaihe 3: Alipäästösuodatin

Viimeinen tässä piirissä käytetty osa on passiivinen suodatin. Kuten aiemmin mainittiin, passiivisuodatin on suodatin, joka ei tarvitse virtalähdettä toimiakseen. EKG: tä varten tarvitaan sekä ylipäästösuodatin että alipäästösuodatin melun poistamiseksi oikein signaalista. Ensimmäinen piiriin lisättävä passiivisuodatin on alipäästösuodatin. Kuten nimestä voi päätellä, tämä antaa aluksi rajataajuuden alapuolella olevan signaalin kulkea [7]. Alipäästösuodattimen rajataajuuden tulisi olla signaalialueen yläraja. Kuten aiemmin mainittiin, EKG -signaalin yläalue on 150 Hz [2]. Kun asetat ylärajan, muiden signaalien kohinaa ei käytetä signaalin hankinnassa.

Katkaisutaajuuden yhtälö on f = 1 / (2 * pi * R * C). Kuten aiempien piirikomponenttien kohdalla, R: n ja C: n arvot voidaan löytää kytkemällä taajuus ja asettamalla yksi komponentin arvoista [7]. Alipäästösuodattimen kondensaattoriksi asetettiin 1 µF ja haluttu katkaisutaajuus on 150 Hz. Katkaisutaajuusyhtälön avulla vastuskomponentin arvoksi lasketaan 1 kΩ. Tämän vaiheen ensimmäinen kuva on täydellinen alipäästösuodattimen kaavio.

Samoja lovisuodattimelle määritettyjä parametreja käytetään alipäästösuodattimen AC Sweep -analyysissä, joka näkyy toisessa kuvassa. Tämän komponentin haluttu rajataajuus on 150 Hz ja yhtälön 3 avulla simuloitu katkaisutaajuus on 159 Hz. Tämän virheen prosenttiosuus on 6%. Tämän komponentin virheprosentti on suurempi kuin edullinen, mutta komponentit valittiin fyysisen piirin kääntämisen helpottamiseksi. Tämä on selvästi alipäästösuodatin, joka perustuu toisen kuvan taajuusvastekaavioon, koska vain rajataajuuden alapuolella oleva signaali pystyy kulkemaan 5 V: n jännitteellä ja kun taajuus lähestyy katkaisutaajuutta, jännite laskee.

Vaihe 4: Vaihe 4: Ylipäästösuodatin

EKG -piirin toinen passiivinen komponentti on ylipäästösuodatin. Ylipäästösuodatin on suodatin, joka sallii minkä tahansa rajataajuutta suuremman taajuuden käydä läpi. Tämän komponentin rajataajuus on 0,05 Hz. Jälleen 0,05 Hz on EKG -signaalien alaraja [2]. Vaikka arvo on niin pieni, on silti oltava ylipäästösuodatin, jotta signaalin jännitepoikkeama voidaan suodattaa pois. Siksi ylipäästösuodatin on edelleen välttämätön piirin suunnittelussa, vaikka rajataajuus on niin pieni.

Katkaisutaajuuden yhtälö on sama kuin alipäästösuodatin, f = 1 / (2 * pi * R * C). Vastusarvoksi asetettiin 50 kΩ ja haluttu katkaisutaajuus on 0,05 Hz [8]. Näiden tietojen perusteella kondensaattorin arvo laskettiin arvoon 63 µF. Ensimmäinen kuva tässä vaiheessa on ylipäästösuodatin, jossa on asianmukaiset arvot.

AC Sweep Analysis on toinen suodatin. Kuten alipäästösuodatin, signaalin taajuus lähestyy katkaisutaajuutta, lähtöjännite laskee. Ylipäästösuodattimen haluttu rajataajuus on 0,05 Hz ja simuloitu rajataajuus 0,0505 Hz. Tämä arvo laskettiin käyttämällä alipäästön katkaisutaajuuden yhtälöä. Tämän komponentin virheprosentti on 1%. Tämä on hyväksyttävä prosenttivirhe.

Vaihe 5: Vaihe 5: Koko piiri

Koko piiri muodostetaan kytkemällä sarjaan neljä komponenttia, instrumentointivahvistin, lovisuodatin, alipäästösuodatin ja ylipäästösuodatin. Koko piirikaavio on esitetty tämän vaiheen ensimmäisessä kuvassa.

Toisessa kuvassa esitetty simuloitu vaste toimii niin kuin sen odotettiin perustuvan tähän piiriin käytettyjen komponenttien tyyppeihin. Suunniteltu piiri suodattaa pois melun sekä EKG -signaalin ala- ja ylärajoilta että suodattaa onnistuneesti voimalinjojen melun. Alipäästösuodatin poistaa onnistuneesti rajataajuuden alapuolella olevan signaalin. Kuten taajuusvastekaaviossa esitetään, 0,01 Hz: n taajuudella signaali viedään läpi 1 V: n arvolla, joka on 5 kertaa pienempi kuin haluttu lähtö. Taajuuden kasvaessa myös lähtöjännite kasvaa, kunnes saavuttaa huippunsa 0,1 Hz: llä. Huippu on noin 5 V, joka on kohdistettu instrumenttivahvistimen 1000 vahvistukseen. Signaali pienenee 5 V: sta alkaen 10 Hz: stä. Kun taajuus on 60 Hz, piiri ei lähetä signaalia. Tämä oli lovesuodattimen tarkoitus ja sen tarkoituksena oli torjua voimalinjojen häiriöitä. Kun taajuus ylittää 60 Hz, jännite alkaa jälleen kasvaa taajuuden mukaan. Lopuksi, kun taajuus saavuttaa 110 Hz, signaali saavuttaa noin 2 V: n toissijaisen huippun. Sieltä lähtö laskee alipäästösuodattimen vuoksi.

Vaihe 6: Johtopäätös

Tämän tehtävän tarkoitus oli simuloida automaattista EKG: tä, joka pystyy tallentamaan tarkasti sydämen syklin. Tätä varten analoginen signaali, joka olisi otettu potilaalta, oli vahvistettava ja suodatettava sisältämään vain EKG -signaali. Tämä saavutettiin käyttämällä ensin instrumentointivahvistinta signaalin suuruuden lisäämiseksi noin 1000 kertaa. Sitten sähkölinjojen melu oli poistettava signaalista sekä kohina EKG: n määritetyn taajuusalueen ylä- ja alapuolelta. Tämä tarkoitti aktiivisen lovisuodattimen sekä passiivisten ylä- ja alipäästösuodattimien sisällyttämistä. Vaikka tämän tehtävän lopputuote oli simuloitu piiri, oli silti jonkin verran hyväksyttävää virhettä, kun otetaan huomioon normaalisti saatavilla olevien resistiivisten ja kapasitiivisten komponenttien vakioarvot. Kaiken kaikkiaan järjestelmä toimi odotetulla tavalla ja se voitaisiin siirtää fyysiseksi piiriksi melko helposti.

Vaihe 7: Resurssit

[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,”Elektrokardiogrammin historia, kuumat paikat ja suuntaukset”, Journal of geriatric cardiology: JGC, heinäkuu 2015. [Online]. Saatavilla: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Käytetty: 01.12.2020].

[2] L. G. Tereshchenko ja M. E. Josephson,”Kammioiden johtumisen taajuussisältö ja ominaisuudet”, Journal of electrocardiology, 2015. [Online]. Saatavilla: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Käytetty: 01.12.2020].

[3]”Differentiaalivahvistin-jännitteen vähennyslaite”, Elektroniikan perusopetusohjelmat, 17.3.2020. [Online]. Saatavilla: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Käytetty: 01.12.2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan ja P. Kinget,”EKG -mittausjärjestelmä”, Columbian yliopisto.

[4] S. [Online]. Saatavilla: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Käytetty: 01.12.2020].

[6]”Kaistan pysäytyssuodattimia kutsutaan hylkäyssuodattimiksi”, Basic Electronics Tutorials, 29.6.2020. [Online]. Saatavilla: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Käytetty: 01.12.2020].

[7] "Alipäästösuodatin-passiivisen RC-suodattimen opetusohjelma", Elektroniikan perusoppaat, 1.5.2020. [Online]. Saatavilla: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Käytetty: 01.12.2020].

[8]”High Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial”, Basic Electronics Tutorials, 05.03.2019. [Online]. Saatavilla: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Käytetty: 01.12.2020].