EKG e automatizuar- BME 305 Projekti përfundimtar Kredi shtesë: 7 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:10

Një elektrokardiogram (EKG ose EKG) përdoret për të matur sinjalet elektrike të prodhuara nga një zemër që rreh dhe luan një rol të madh në diagnostikimin dhe prognozën e sëmundjeve kardiovaskulare. Disa nga informacionet e marra nga një EKG përfshijnë ritmin e rrahjeve të zemrës së pacientit, si dhe forcën e rrahjeve. Çdo formë valore EKG gjenerohet nga një përsëritje e ciklit kardiak. Të dhënat mblidhen përmes elektrodave të vendosura në lëkurën e pacientit. Sinjali më pas përforcohet dhe zhurma filtrohet për të analizuar siç duhet të dhënat e pranishme. Duke përdorur të dhënat e grumbulluara, studiuesit janë në gjendje të diagnostikojnë jo vetëm sëmundjet kardiovaskulare, por EKG -ja gjithashtu ka luajtur një rol të madh në rritjen e të kuptuarit dhe njohjes së sëmundjeve më të errëta. Zbatimi i EKG -së ka përmirësuar shumë trajtimin e kushteve të tilla si aritmia dhe ishemia [1].

Furnizimet:

Ky udhëzues është për të simuluar një pajisje virtuale EKG dhe për këtë arsye gjithçka që kërkohet për të kryer këtë eksperiment është një kompjuter që punon. Softueri i përdorur për simulimet e mëposhtme është LTspice XVII dhe mund të shkarkohet nga interneti.

Hapi 1: Hapi 1: Përforcuesi i instrumenteve

Komponenti i parë i qarkut është një përforcues instrumentesh. Siç sugjeron emri, amplifikuesi i instrumenteve përdoret për të rritur madhësinë e sinjalit. Një sinjal EKG që nuk është përforcuar ose filtruar është afërsisht 5 mV në amplituda. Për të filtruar sinjalin, duhet të amplifikohet. Një fitim i arsyeshëm për këtë qark duhet të jetë i madh në mënyrë që sinjali bioelektrik të filtrohet në mënyrë të përshtatshme. Prandaj, fitimi i këtij qarku do të jetë rreth 1000. Forma e përgjithshme e një përforcuesi të instrumenteve përfshihet në imazhet për këtë hap [2]. Përveç ekuacioneve për fitimin e qarkut, vlerat që janë llogaritur për secilin komponent janë treguar në imazhin e dytë [3].

Fitimi është negativ sepse voltazhi furnizohet me kunjin përmbysës të amplifikatorit operacional. Vlerat e treguara në imazhin e dytë u gjetën duke vendosur vlerat e R1, R2, R3, dhe fitimi si vlerat e dëshiruara dhe më pas zgjidhjen për vlerën përfundimtare R4. Imazhi i tretë për këtë hap është qarku i simuluar në LTspice, i kompletuar me vlera të sakta.

Për të testuar qarkun, si i tërë dhe si përbërës individualë, duhet të bëhet një analizë e rrymës alternative (AC). Kjo formë e analizës shikon madhësinë e sinjalit ndërsa frekuencat ndryshojnë. Prandaj, lloji i analizës së spastrimit të analizës AC duhet të jetë një dekadë sepse përcakton shkallëzimin e boshtit x dhe është më i favorshëm për leximin e saktë të rezultateve. Për dekadë, duhet të ketë 100 pika të dhënash. Kjo do të përcjellë me saktësi tendencat në të dhënat pa e mbingarkuar programin, duke siguruar efikasitet. Vlerat e frekuencës së fillimit dhe ndalimit duhet të përfshijnë të dy frekuencat e ndërprera. Prandaj, një frekuencë e arsyeshme e fillimit është 0.01 Hz dhe një frekuencë e arsyeshme e ndalimit është 1kHz. Për amplifikatorin e instrumenteve, funksioni i hyrjes është një valë sinus me një madhësi prej 5 mV. 5 mV korrespondon me amplitudën standarde të një sinjali EKG [4]. Një valë sinusit imiton aspektet në ndryshim të një sinjali EKG. Të gjitha këto cilësime të analizës, përveç tensionit të hyrjes, janë të njëjta për secilin komponent.

Imazhi përfundimtar është komploti i përgjigjes së frekuencës për amplifikatorin e instrumenteve. Kjo tregon se përforcuesi i instrumenteve është në gjendje të rrisë madhësinë e sinjalit hyrës me rreth 1000. Fitimi i dëshiruar për amplifikatorin e instrumenteve ishte 1000. Fitimi i amplifikatorit të simuluar të instrumenteve është 999.6, i gjetur duke përdorur ekuacionin e treguar në foton e dytë. Përqindja e gabimit midis fitimit të dëshiruar dhe fitimit eksperimental është 0.04%. Kjo është një sasi e pranueshme e përqindjes së gabimit.

Hapi 2: Hapi 2: Filtri i nivelit

Komponenti tjetër i përdorur në qarkun EKG është një filtër aktiv. Një filtër aktiv është vetëm një filtër që kërkon energji për të funksionuar. Për këtë detyrë, filtri më i mirë aktiv që do të përdoret është një filtër i nivelit. Një filtër i nivelit përdoret për të hequr sinjalin në një frekuencë të vetme ose një gamë shumë të ngushtë të frekuencave. Në rastin e këtij qarku, frekuenca që hiqet me një filtër të nivelit është 60 Hz. 60 Hz është frekuenca në të cilën funksionojnë linjat e energjisë dhe për këtë arsye është një burim i madh i zhurmës me pajisjet. Zhurma e linjës së energjisë shtrembëron sinjalet biomjekësore dhe zvogëlon cilësinë e të dhënave [5]. Forma e përgjithshme e filtrit të nivelit të përdorur për këtë qark është treguar në foton e parë për këtë hap. Komponenti aktiv i filtrit të nivelit është tamponi që është ngjitur. Tamponi përdoret për të izoluar sinjalin pas filtrit të nivelit. Meqenëse tamponi është pjesë e filtrit dhe i duhet energji për të funksionuar, filtri i nivelit është përbërësi aktiv i filtrit të këtij qarku.

Ekuacioni për përbërësit rezistues dhe kondensatorë të filtrit të nivelit është treguar në foton e dytë [6]. Në ekuacionin, fN është frekuenca që duhet hequr, e cila është 60 Hz. Siç do të jetë përforcuesi i instrumenteve, ose rezistenca ose vlera e kondensatorit mund të vendosen në çdo vlerë dhe vlera tjetër llogaritet nga ekuacioni i treguar në foton e dytë. Për këtë filtër, C -së iu caktua një vlerë prej 1 µF dhe pjesa tjetër e vlerave u gjetën bazuar në atë vlerë. Vlera e kondensatorit u vendos në bazë të komoditetit. Tabela në foton e dytë tregon vlerat e 2R, R, 2C dhe C që janë përdorur.

Imazhi i tretë për këtë hap është qarku filtër i nivelit përfundimtar me vlera të sakta. Duke përdorur atë qark, analiza AC Sweep u krye duke përdorur 5V. 5V korrespondon me tensionin pas amplifikimit. Pjesa tjetër e parametrave të analizës janë të njëjta me atë që u tha në hapin e amplifikatorit të instrumentacionit. Komploti i përgjigjes së frekuencës është treguar në foton përfundimtare. Duke përdorur vlerat dhe ekuacionet në foton e dytë, frekuenca aktuale për filtrin e nivelit është 61.2 Hz. Vlera e dëshiruar për filtrin e nivelit ishte 60 Hz. Duke përdorur ekuacionin e gabimit të përqindjes, ekziston një gabim 2% midis filtrit të simuluar dhe filtrit teorik. Kjo është një sasi gabimi e pranueshme.

Hapi 3: Hapi 3: Filtri me kalim të ulët

Lloji i fundit i pjesëve të përdorura në këtë qark është filtri pasiv. Siç u përmend më parë, një filtër pasiv është një filtër që nuk kërkon një burim energjie për të qenë në funksion. Për një EKG, një filtër i lartë dhe një kalim i ulët nevojiten për të hequr siç duhet zhurmën nga sinjali. Lloji i parë i filtrit pasiv që duhet shtuar në qark është një filtër me kalim të ulët. Siç sugjeron emri, kjo së pari lejon që sinjali nën frekuencën e ndërprerjes të kalojë [7]. Për filtrin e kalimit të ulët, frekuenca e ndërprerjes duhet të jetë kufiri i sipërm i diapazonit të sinjalit. Siç u përmend më herët, diapazoni i sipërm i sinjalit të EKG -së është 150 Hz [2]. Duke vendosur një kufi të sipërm, zhurma nga sinjalet e tjera nuk përdoret në marrjen e sinjalit.

Ekuacioni për frekuencën e ndërprerjes është f = 1 / (2 * pi * R * C). Ashtu si me përbërësit e mëparshëm të qarkut, vlerat për R dhe C mund të gjenden duke futur frekuencën dhe duke vendosur një nga vlerat e komponentit [7]. Për filtrin e kalimit të ulët, kondensatori ishte vendosur 1 μF dhe frekuenca e dëshiruar e ndërprerjes është 150 Hz. Duke përdorur ekuacionin e frekuencës së ndërprerë, vlera për përbërësin e rezistencës llogaritet të jetë 1 kΩ. Imazhi i parë për këtë hap është një skemë e plotë e filtrit me kalim të ulët.

Të njëjtat parametra të përcaktuar për filtrin e nivelit përdoren për Analizën e Fshirjes AC të filtrit me kalim të ulët, të treguar në imazhin e dytë. Për këtë përbërës, frekuenca e dëshiruar e ndërprerjes është 150Hz dhe duke përdorur Ekuacionin 3, frekuenca e simuluar e ndërprerjes është 159 Hz. Ky ka një gabim për qind prej 6%. Gabimi në përqindje për këtë komponent është më i lartë se i preferuar, por përbërësit u zgjodhën për lehtësinë e përkthimit në një qark fizik. Ky është qartë një filtër me kalim të ulët, bazuar në komplotin e përgjigjes së frekuencës në imazhin e dytë, pasi vetëm sinjali nën frekuencën e ndërprerjes është në gjendje të kalojë në 5 V, dhe ndërsa frekuenca i afrohet frekuencës së ndërprerjes, tensioni zvogëlohet.

Hapi 4: Hapi 4: Filtri i kalimit të lartë

Komponenti i dytë pasiv për qarkun EKG është filtri me kalim të lartë. Një filtër me kalim të lartë është një filtër që lejon çdo frekuencë më të madhe se frekuenca e ndërprerjes të kalojë. Për këtë komponent, frekuenca e ndërprerjes do të jetë 0.05 Hz. Edhe një herë 0.05 Hz është fundi i poshtëm i gamës së sinjaleve të EKG -së [2]. Edhe pse vlera është aq e vogël, ende duhet të ketë një filtër me kalim të lartë në mënyrë që të filtrojë çdo kompensim të tensionit në sinjal. Prandaj, filtri i kalimit të lartë është ende i nevojshëm brenda modelit të qarkut, edhe pse frekuenca e ndërprerjes është aq e vogël.

Ekuacioni për frekuencën e ndërprerjes është i njëjtë me filtrin e prerjes me kalim të ulët, f = 1 / (2 * pi * R * C). Vlera e rezistencës u vendos në 50 kΩ dhe frekuenca e dëshiruar e ndërprerjes është 0.05 Hz [8]. Duke përdorur atë informacion, vlera e kondensatorit u llogarit në 63 µF. Imazhi i parë për këtë hap është filtri me kalim të lartë me vlerat e duhura.

Analiza e Fshirjes AC është filtri i dytë. Ashtu si filtri i kalimit të ulët, ndërsa frekuenca e sinjalit i afrohet frekuencës së ndërprerjes, tensioni i daljes zvogëlohet. Për filtrin e kalimit të lartë, frekuenca e dëshiruar e ndërprerjes është 0.05 Hz dhe frekuenca e simuluar e ndërprerjes është 0.0505 Hz. Kjo vlerë u llogarit duke përdorur ekuacionin e frekuencës së ndërprerjes së ulët. Përqindja e gabimit për këtë përbërës është 1%. Ky është një gabim i pranueshëm në përqindje.

Hapi 5: Hapi 5: Qarku i plotë

I gjithë qarku është ndërtuar duke lidhur katër përbërësit, amplifikatorin e instrumenteve, filtrin e nivelit, filtrin me kalim të ulët dhe filtrin e kalimit të lartë, në seri. Diagrami i qarkut të plotë tregohet në imazhin e parë për këtë hap.

Përgjigja e simuluar e treguar në figurën e dytë vepron ashtu siç pritej të bazohej në llojet e përbërësve të përdorur për këtë qark. Qarku i projektuar filtron zhurmën në kufijtë e poshtëm dhe të sipërm të sinjalit EKG si dhe filtron me sukses zhurmën nga linjat e energjisë. Filtri me kalim të ulët heq me sukses sinjalin nën frekuencën e ndërprerjes. Siç tregohet në komplotin e përgjigjes së Frekuencës, në 0.01 Hz, sinjali kalohet në 1 V, një vlerë që është 5 herë më pak se dalja e dëshiruar. Ndërsa frekuenca rritet tensioni i daljes gjithashtu rritet derisa të arrijë majat e tij në 0.1 Hz. Pika është rreth 5 V, e cila është e lidhur me një fitim prej 1000 për amplifikatorin e instrumenteve. Sinjali zvogëlohet nga 5 V duke filluar nga 10 Hz. Në kohën kur frekuenca është 60 Hz, nuk ka asnjë sinjal që del nga qarku. Ky ishte qëllimi i filtrit të nivelit dhe synonte të kundërshtonte ndërhyrjen e linjave të energjisë. Pasi frekuenca tejkalon 60 Hz, tensioni përsëri fillon të rritet me frekuencën. Së fundi, sapo frekuenca të arrijë 110 Hz sinjali arrin pikun dytësor prej afërsisht 2 V. Prej aty, dalja zvogëlohet për shkak të filtrit të kalimit të ulët.

Hapi 6: Përfundimi

Qëllimi i kësaj detyre ishte të simulonte një EKG të automatizuar të aftë për të regjistruar me saktësi ciklin kardiak. Për ta bërë këtë, sinjali analog që do të ishte marrë nga një pacient duhej të amplifikohej dhe më pas të filtrohej për të përfshirë vetëm sinjalin EKG. Kjo u arrit duke përdorur së pari një përforcues instrumentesh për të rritur madhësinë e sinjalit afërsisht 1000 herë. Pastaj zhurma e linjave të energjisë duhej të hiqet nga sinjali si dhe zhurma nga lart dhe poshtë intervalit të caktuar të frekuencës së një EKG. Kjo nënkuptonte përfshirjen e një filtri aktiv të nivelit, si dhe filtra pasivë të kalimit të lartë dhe të ulët. Edhe pse produkti përfundimtar për këtë detyrë ishte një qark i simuluar, prapëseprapë kishte një gabim të pranueshëm, duke marrë parasysh vlerat standarde për përbërësit rezistentë dhe kapacitivë normalisht të disponueshëm. Mbi të gjitha sistemi u krye siç pritej dhe do të ishte në gjendje të kalonte në një qark fizik mjaft lehtë.

Hapi 7: Burimet

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang, dhe S.-H. Tan, "Historia, pikat e nxehta dhe tendencat e elektrokardiogramit", Revista e kardiologjisë geriatrike: JGC, Korrik-2015. [Online]. Në dispozicion: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Qasur: 01-Dhjetor-2020].

[2] L. G. Tereshchenko dhe M. E. Josephson, "Përmbajtja e frekuencës dhe karakteristikat e përcjelljes ventrikulare", Journal of electrocardiology, 2015. [Online]. Në dispozicion: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Qasur: 01-Dhjetor-2020].

[3] "Përforcuesi diferencial-Zbritësi i Tensionit," Udhëzime Bazë për Elektronikë, 17-Mars-2020. [Online]. E disponueshme: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Qasur: 01-Dhjetor-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan, dhe P. Kinget, "Sistemi i Matjes së EKG -së", Universiteti Columbia.

[5] S. Akwei-Sekyere, "Eliminimi i zhurmës së linjës së energjisë në sinjalet biomjekësore nëpërmjet ndarjes së burimit të verbër dhe analizës së valëve," PeerJ, 02-Korrik-2015. [Online]. Në dispozicion: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Qasur: 01-Dhjetor-2020].

[6] "Filtrat e ndaluar të brezit quhen Filtra refuzues", Udhëzime themelore të elektronikës, 29-qershor-2020. [Online]. E disponueshme: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Qasur: 01-Dhjetor-2020].

[7] "Filtri me kalim të ulët-Udhëzues filtri pasiv RC", Tutoriale bazë elektronike, 01-maj-2020. [Online]. E disponueshme: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Qasur: 01-Dhjetor-2020].

[8] "Filtri i kalimit të lartë-Tutoriali i filtrit RC pasiv", Mësime themelore të elektronikës, 05-mars-2019. [Online]. Në dispozicion: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Qasur: 01-Dhjetor-2020].