Automatizovaný záverečný projekt EKG- BME 305 Extra kredit: 7 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Elektrokardiogram (EKG alebo EKG) sa používa na meranie elektrických signálov produkovaných bijúcim srdcom a hrá veľkú úlohu v diagnostike a prognóze kardiovaskulárnych chorôb. Niektoré z informácií získaných na EKG zahŕňajú rytmus srdcového tepu pacienta a silu úderu. Každý priebeh EKG je generovaný iteráciou srdcového cyklu. Údaje sa zbierajú prostredníctvom elektródy umiestnenej na koži pacienta. Signál je potom zosilnený a šum je odfiltrovaný, aby sa správne analyzovali prítomné údaje. Vďaka zozbieraným údajom sú vedci schopní nielen diagnostikovať kardiovaskulárne ochorenia, ale EKG tiež zohralo významnú úlohu pri zlepšovaní porozumenia a rozpoznávania temnejších chorôb. Implementácia EKG výrazne zlepšila liečbu stavov, ako je arytmia a ischémia [1].

Zásoby:

Tento návod je na simuláciu virtuálneho zariadenia na EKG, a preto je na vykonanie tohto experimentu potrebný iba funkčný počítač. Softvér použitý na nasledujúce simulácie je LTspice XVII a je možné ho stiahnuť z internetu.

Krok 1: Krok 1: Zosilňovač prístrojov

Prvou súčasťou obvodu je zosilňovač prístrojov. Ako naznačuje názov, zosilňovač prístrojov sa používa na zvýšenie veľkosti signálu. Signál EKG, ktorý nie je zosilnený ani filtrovaný, má amplitúdu zhruba 5 mV. Aby bolo možné filtrovať signál, je potrebné ho zosilniť. Primeraný zisk pre tento obvod by musel byť veľký, aby bol bioelektrický signál vhodne filtrovaný. Zisk tohto obvodu bude preto asi 1 000. Obecná forma prístrojového zosilňovača je zahrnutá v obrázkoch pre tento krok [2]. Na druhom obrázku [3] sú navyše uvedené rovnice pre zosilnenie obvodu, hodnoty, ktoré boli vypočítané pre každú zložku.

Zisk je negatívny, pretože napätie je dodávané do invertujúceho kolíka operačného zosilňovača. Hodnoty uvedené na druhom obrázku boli zistené nastavením hodnôt R1, R2, R3 a zisku ako požadovaných hodnôt a potom riešením pre konečnú hodnotu R4. Tretí obrázok pre tento krok je simulovaný obvod v LTspice doplnený o presné hodnoty.

Na testovanie obvodu ako celku aj ako jednotlivých komponentov by sa mala vykonať analýza striedavého prúdu (AC). Táto forma analýzy sa zameriava na veľkosť signálu pri zmene frekvencií. Analytický typ cyklu analýzy AC by preto mal byť desaťročie, pretože nastavuje mierku osi x a je vhodnejší na presné čítanie výsledkov. Za desaťročie by malo byť 100 dátových bodov. To presne sprostredkuje trendy v dátach bez prepracovania programu a zaistí efektivitu. Hodnoty počiatočnej a koncovej frekvencie by mali zahŕňať obe medzné frekvencie. Rozumná štartovacia frekvencia je preto 0,01 Hz a primeraná zastavovacia frekvencia je 1 kHz. Pre prístrojový zosilňovač je vstupnou funkciou sínusová vlna s magnitúdou 5 mV. 5 mV zodpovedá štandardnej amplitúde signálu EKG [4]. Sínusová vlna napodobňuje meniace sa aspekty signálu EKG. Všetky tieto nastavenia analýzy, okrem vstupného napätia, sú pre každý komponent rovnaké.

Konečný obrázok je graf frekvenčnej odozvy pre prístrojový zosilňovač. Toto ukazuje, že prístrojový zosilňovač je schopný zvýšiť veľkosť vstupného signálu asi o 1000. Požadovaný zisk pre prístrojový zosilňovač bol 1 000. Zisk simulovaného prístrojového zosilňovača je 999,6, zistený pomocou rovnice uvedenej na druhej fotografii. Percentuálna chyba medzi požadovaným ziskom a experimentálnym ziskom je 0,04%. To je prijateľné množstvo percent chyby.

Krok 2: Krok 2: Zárezový filter

Ďalším komponentom použitým v obvode EKG je aktívny filter. Aktívny filter je iba filter, ktorý na svoju funkciu vyžaduje napájanie. Pre toto priradenie je najlepším aktívnym filtrom, ktorý sa má použiť, filter so zárezom. Zárezový filter sa používa na odstránenie signálu na jednej frekvencii alebo veľmi úzkom rozsahu frekvencií. V prípade tohto obvodu je frekvencia, ktorá sa má odstrániť pomocou vrubového filtra, 60 Hz. 60 Hz je frekvencia, na ktorej elektrické vedenia pracujú, a preto je so zariadeniami veľkým zdrojom hluku. Hluk elektrickej siete skresľuje biomedicínske signály a znižuje kvalitu údajov [5]. Obecný tvar filtra zárezu použitého pre tento obvod je uvedený na prvej fotografii pre tento krok. Aktívnou súčasťou filtra zárezu je vyrovnávacia pamäť, ktorá je pripojená. Vyrovnávacia pamäť sa používa na izoláciu signálu po zárezovom filtri. Pretože vyrovnávacia pamäť je súčasťou filtra a na jeho prevádzku je potrebné napájanie, je zárezový filter aktívnou filtračnou súčasťou tohto obvodu.

Rovnica pre odporové a kondenzátorové komponenty zárezového filtra je znázornená na druhej fotografii [6]. V rovnici je fN frekvencia, ktorá sa má odstrániť, čo je 60 Hz. Rovnako ako zosilňovač prístrojového vybavenia, hodnotu odporu alebo kondenzátora je možné nastaviť na ľubovoľnú hodnotu a druhú hodnotu vypočítať podľa rovnice uvedenej na druhej fotografii. Pre tento filter bola C priradená hodnota 1 uF a zvyšné hodnoty boli nájdené na základe tejto hodnoty. Hodnota kondenzátora bola stanovená na základe pohodlia. Tabuľka na druhej fotografii zobrazuje hodnoty 2R, R, 2C a C, ktoré boli použité.

Tretí obrázok pre tento krok je konečný zárezový filtračný obvod s presnými hodnotami. Použitím tohto obvodu bola spustená analýza AC Sweep pomocou 5V. 5V zodpovedá napätiu po zosilnení. Ostatné parametre analýzy sú rovnaké ako tie, ktoré boli uvedené v kroku zosilňovača prístrojov. Graf frekvenčnej odozvy je zobrazený na konečnej fotografii. Použitím hodnôt a rovníc na druhej fotografii je skutočná frekvencia pre zárezový filter 61,2 Hz. Požadovaná hodnota pre zárezový filter bola 60 Hz. Pri použití rovnice percenta chýb je 2% chyba medzi simulovaným filtrom a teoretickým filtrom. Toto je prijateľné množstvo chýb.

Krok 3: Krok 3: Nízkopriepustný filter

Posledným typom časti použitej v tomto obvode je pasívny filter. Ako už bolo spomenuté, pasívny filter je filter, ktorý na svoju prevádzku nevyžaduje zdroj energie. Na EKG sú na správne odstránenie šumu zo signálu potrebné hornopriepustný aj dolnopriepustný filter. Prvým typom pasívneho filtra, ktorý sa má pridať do obvodu, je dolnopriepustný filter. Ako naznačuje názov, tento najskôr umožňuje prechod signálu pod hraničnou frekvenciou [7]. V prípade dolnopriepustného filtra by mala byť medzná frekvencia hornou hranicou rozsahu signálu. Ako už bolo spomenuté, horný rozsah signálu EKG je 150 Hz [2]. Nastavením hornej hranice sa pri získavaní signálu nepoužíva šum z iných signálov.

Rovnica pre medznú frekvenciu je f = 1 / (2 * pi * R * C). Rovnako ako u predchádzajúcich komponentov obvodu, hodnoty pre R a C je možné nájsť zapojením frekvencie a nastavením jednej z hodnôt komponentov [7]. Pre dolnopriepustný filter bol kondenzátor nastavený na 1 µF a požadovaná medzná frekvencia je 150 Hz. Pomocou rovnice medznej frekvencie sa vypočíta hodnota odporovej zložky 1 kΩ. Prvým obrázkom pre tento krok je kompletná schéma dolného priechodu filtra.

Rovnaké parametre definované pre zárezový filter sa používajú pre analýzu striedavého prúdu nízkopriepustného filtra uvedenú na druhom obrázku. Pre tento komponent je požadovaná medzná frekvencia 150 Hz a pri použití rovnice 3 je simulovaná medzná frekvencia 159 Hz. Toto má percentuálnu chybu 6%. Percentuálna chyba pre tento komponent je vyššia, ako je preferované, ale komponenty boli zvolené kvôli ľahkému prekladu do fyzického obvodu. Jednoznačne ide o dolnopriepustný filter, založený na grafe frekvenčnej odozvy na druhom obrázku, pretože pri 5 V je schopný prejsť iba signál pod hraničnou frekvenciou a keď sa frekvencia blíži k medznej frekvencii, napätie klesá.

Krok 4: Krok 4: High Pass Filter

Druhou pasívnou zložkou pre obvod EKG je hornopriepustný filter. Hornopriepustný filter je filter, ktorý umožňuje prechod ľubovoľnou frekvenciou vyššou ako medzná frekvencia. Pre tento komponent bude medzná frekvencia 0,05 Hz. Opäť 0,05 Hz je dolný koniec rozsahu signálov EKG [2]. Aj keď je hodnota taká malá, stále musí existovať hornopriepustný filter, aby sa odfiltrovali akékoľvek odchýlky napätia v signáli. V návrhu obvodu je preto stále potrebný hornopriepustný filter, aj keď je medzná frekvencia taká malá.

Rovnica pre medznú frekvenciu je rovnaká ako dolný priepustný filter, f = 1 / (2 * pi * R * C). Hodnota odporu bola nastavená na 50 kΩ a požadovaná medzná frekvencia je 0,05 Hz [8]. Na základe týchto informácií bola hodnota kondenzátora vypočítaná na 63 µF. Prvým obrázkom pre tento krok je hornopriepustný filter s príslušnými hodnotami.

Analýza striedavého prúdu je druhým filtrom. Rovnako ako dolný priepustný filter, keď sa frekvencia signálu blíži k medznej frekvencii, výstupné napätie klesá. Pre hornopriepustný filter je požadovaná medzná frekvencia 0,05 Hz a simulovaná medzná frekvencia 0,0505 Hz. Táto hodnota bola vypočítaná pomocou nízkopriepustnej frekvenčnej rovnice. Percentuálna chyba pre tento komponent je 1%. Toto je prijateľná percentuálna chyba.

Krok 5: Krok 5: Celý obvod

Celý obvod je zostavený zapojením štyroch komponentov, zosilňovača prístrojov, zárezového filtra, dolného priepustného filtra a horného priepustného filtra do série. Celá schéma zapojenia je zobrazená na prvom obrázku pre tento krok.

Simulovaná odpoveď zobrazená na druhom obrázku funguje tak, ako sa očakávalo, že bude vychádzať z typov komponentov použitých pre tento obvod. Obvod, ktorý je navrhnutý, filtruje hluk na dolných aj horných hraniciach signálu EKG, ako aj úspešne filtruje hluk z elektrických vedení. Dolnopriepustný filter úspešne odstráni signál pod medznou frekvenciou. Ako je znázornené na grafe frekvenčnej odozvy, pri 0,01 Hz prechádza signál pri 1 V, čo je hodnota 5 -krát menšia ako požadovaný výstup. So zvyšujúcou sa frekvenciou sa zvyšuje aj výstupné napätie, až kým nedosiahne svoje vrcholy pri 0,1 Hz. Pík je okolo 5 V, čo je zarovnané so ziskom 1000 pre prístrojový zosilňovač. Signál klesá od 5 V od 10 Hz. V čase, keď je frekvencia 60 Hz, obvod nevydáva žiadny signál. To bol účel zárezového filtra a jeho účelom bolo zabrániť rušeniu elektrického vedenia. Keď frekvencia prekročí 60 Hz, napätie sa opäť začne zvyšovať s frekvenciou. Nakoniec, akonáhle frekvencia dosiahne 110 Hz, signál dosiahne ako sekundárny vrchol zhruba 2 V. Odtiaľ sa výstup znižuje kvôli dolnopriepustnému filtru.

Krok 6: Záver

Cieľom tejto úlohy bolo simulovať automatizované EKG schopné presne zaznamenať srdcový cyklus. Na tento účel bolo potrebné zosilniť analógový signál, ktorý by bol odobratý od pacienta, a potom ho filtrovať tak, aby zahŕňal iba signál EKG. To sa dosiahlo najskôr použitím prístrojového zosilňovača na zvýšenie veľkosti signálu zhruba 1000 -krát. Potom bolo potrebné zo signálu odstrániť hluk elektrických vedení, ako aj šum zhora a pod určený frekvenčný rozsah EKG. To znamenalo začlenenie aktívneho zárezového filtra a pasívnych horných a dolných priepustov. Napriek tomu, že konečným produktom pre túto úlohu bol simulovaný obvod, stále existovala prijateľná chyba, berúc do úvahy štandardné hodnoty odporových a kapacitných komponentov, ktoré sú bežne dostupné. Celý systém fungoval podľa očakávania a mohol by byť pomerne ľahko prevedený do fyzického obvodu.

Krok 7: Zdroje

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang a S.-H. Tan, „História, hotspoty a trendy elektrokardiogramu“, Journal of geriatric cardiology: JGC, júl-2015. [Online]. K dispozícii: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Prístup: 01-Dec-2020].

[2] L. G. Tereshchenko a M. E. Josephson, „Frekvenčný obsah a charakteristiky komorového vedenia“, Journal of electrocardiology, 2015. [Online]. K dispozícii: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Prístup: 01-Dec-2020].

[3] „Diferenciálny zosilňovač-odčítač napätia“, základné návody pre elektroniku, 17. marca 2020. [Online]. K dispozícii: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Prístup: 01-Dec-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan a P. Kinget, „Systém merania EKG“, Columbia University.

[5] S. Akwei-Sekyere, „Eliminácia šumu elektrického vedenia v biomedicínskych signáloch prostredníctvom separácie slepých zdrojov a waveletovej analýzy“, PeerJ, 2. júla 2015. [Online]. K dispozícii: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Prístup: 01-Dec-2020].

[6] „Filtre zastavenia pásma sa nazývajú odmietavé filtre“, základné návody pre elektroniku, 29. júna 2020. [Online]. K dispozícii: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Prístup: 01-Dec-2020].

[7] „Low Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial,“Basic Electronics Tutorials, 01-May-2020. [Online]. K dispozícii: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Prístup: 01-Dec-2020].

[8] „High Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial,“Basic Electronics Tutorials, 05-Mar-2019. [Online]. K dispozícii: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Prístup: 01-december 2020].