Automatisert EKG-BME 305 Sluttprosjekt Ekstra kreditt: 7 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:20

Et elektrokardiogram (EKG eller EKG) brukes til å måle de elektriske signalene som produseres av et bankende hjerte, og det spiller en stor rolle i diagnosen og prognosen for kardiovaskulær sykdom. Noe av informasjonen fra et EKG inkluderer rytmen til pasientens hjerteslag og slagets styrke. Hver EKG -bølgeform genereres av en iterasjon av hjertesyklusen. Data samles inn gjennom elektrode plassert på pasientens hud. Signalet forsterkes deretter og støy filtreres bort for å kunne analysere dataene på riktig måte. Ved å bruke dataene som samles inn, kan forskere ikke bare diagnostisere kardiovaskulære sykdommer, men EKG har også spilt en stor rolle i å øke forståelsen og anerkjennelsen av mer uklare sykdommer. Implementeringen av EKG har forbedret behandlingen av tilstander som arytmi og iskemi [1] sterkt.

Rekvisita:

Denne instruksen er for simulering av en virtuell EKG -enhet, og derfor er alt som kreves for å utføre dette eksperimentet en fungerende datamaskin. Programvaren som brukes til følgende simuleringer er LTspice XVII, og den kan lastes ned fra internett.

Trinn 1: Trinn 1: Instrumenteringsforsterker

Den første komponenten i kretsen er en instrumenteringsforsterker. Som navnet antyder, brukes instrumenteringsforsterkeren for å øke signalets størrelse. Et EKG -signal som ikke forsterkes eller filtreres, er omtrent 5 mV i amplitude. For å filtrere signalet må det forsterkes. En rimelig gevinst for denne kretsen må være stor for at det bioelektriske signalet skal filtreres på riktig måte. Derfor vil gevinsten til denne kretsen være omtrent 1000. Den generelle formen for en instrumenteringsforsterker er inkludert i bildene for dette trinnet [2]. I tillegg til ligningene for kretsens forsterkning, er verdiene som ble beregnet for hver komponent vist i det andre bildet [3].

Gevinsten er negativ fordi spenningen tilføres den inverterende tappen til operasjonsforsterkeren. Verdiene som vises i det andre bildet ble funnet ved å sette verdiene til R1, R2, R3 og få som ønskede verdier og deretter løse for sluttverdi R4. Det tredje bildet for dette trinnet er den simulerte kretsen i LTspice, komplett med nøyaktige verdier.

For å teste kretsen, både som helhet og som individuelle komponenter, bør en vekselstrøm (AC) analyse kjøres. Denne formen for analyse ser på signalets størrelse når frekvensene endres. Derfor bør analysetypen for vekselstrømsanalyse feie være et tiår fordi den angir skalering av x-aksen og er mer gunstig for å lese resultatene nøyaktig. Per tiår bør det være 100 datapunkter. Dette vil nøyaktig formidle trendene i dataene uten å overbelaste programmet, noe som sikrer effektivitet. Start- og stoppfrekvensverdiene bør omfatte begge kuttefrekvenser. Derfor er en rimelig startfrekvens 0,01 Hz og en rimelig stoppfrekvens er 1 kHz. For instrumenteringsforsterkeren er inngangsfunksjonen en sinusbølge med en størrelse på 5 mV. 5 mV tilsvarer standardamplituden til et EKG -signal [4]. En sinusbølge etterligner de skiftende aspektene ved et EKG -signal. Alle disse analyseinnstillingene, bortsett fra inngangsspenningen, er de samme for hver komponent.

Det siste bildet er frekvensresponsplottet for instrumenteringsforsterkeren. Dette viser at instrumenteringsforsterkeren er i stand til å øke størrelsen på inngangssignalet med omtrent 1000. Ønsket forsterkning for instrumenteringsforsterkeren var 1000. Forsterkningen til den simulerte instrumenteringsforsterkeren er 999,6, funnet ved hjelp av ligningen vist på det andre bildet. Prosentfeilen mellom ønsket forsterkning og den eksperimentelle gevinsten er 0,04%. Dette er en akseptabel mengde prosentvis feil.

Trinn 2: Trinn 2: Hakkfilter

Den neste komponenten som brukes i EKG -kretsen er et aktivt filter. Et aktivt filter er bare et filter som krever strøm for å fungere. For denne oppgaven er det beste aktive filteret som skal brukes et hakkfilter. Et hakkfilter brukes til å fjerne signal ved en enkelt frekvens eller et veldig smalt frekvensområde. I denne kretsen er frekvensen som skal fjernes med et hakkfilter 60 Hz. 60 Hz er frekvensen som kraftledninger opererer ved og er derfor en stor støykilde med enheter. Powerline -støy forvrenger biomedisinske signaler og reduserer kvaliteten på dataene [5]. Den generelle formen for hakkfilteret som brukes for denne kretsen, er vist på det første bildet for dette trinnet. Den aktive komponenten i hakkfilteret er bufferen som er festet. Bufferen brukes til å isolere signalet etter hakkfilteret. Siden bufferen er en del av filteret og trenger strøm for å fungere, er hakkfilteret den aktive filterkomponenten i denne kretsen.

Ligningen for de resistive og kondensatorkomponentene i hakkfilteret er vist på det andre bildet [6]. I ligningen er fN frekvensen som skal fjernes, som er 60 Hz. På samme måte som instrumenteringsforsterkeren, kan enten motstanden eller kondensatorverdien settes til en hvilken som helst verdi og den andre verdien beregnes ut fra ligningen vist på det andre bildet. For dette filteret ble C tildelt en verdi på 1 µF, og resten av verdiene ble funnet basert på den verdien. Verdien av kondensatoren ble bestemt ut fra bekvemmelighet. Tabellen i det andre bildet viser verdiene til 2R, R, 2C og C som ble brukt.

Det tredje bildet for dette trinnet er den siste hakkfilterkretsen med nøyaktige verdier. Ved hjelp av den kretsen ble AC Sweep -analyse kjørt med 5V. 5V korresponderer med spenningen etter forsterkning. Resten av analyseparametrene er de samme som det som ble angitt i instrumentforsterkerens trinn. Frekvensresponsplottet er vist på det siste bildet. Ved å bruke verdiene og ligningene i det andre bildet, er den faktiske frekvensen for hakkfilteret 61,2 Hz. Ønsket verdi for hakkfilteret var 60 Hz. Ved bruk av prosentfeilligningen er det en 2% feil mellom det simulerte filteret og det teoretiske filteret. Dette er en akseptabel mengde feil.

Trinn 3: Trinn 3: Lavpassfilter

Den siste typen del som brukes i denne kretsen er det passive filteret. Som tidligere nevnt er et passivt filter et filter som ikke krever en strømkilde for å være i drift. For et EKG er både et høypass og et lavpassfilter nødvendig for å fjerne støy fra signalet. Den første typen passive filter som skal legges til kretsen er et lavpassfilter. Som navnet antyder, tillater dette først at signalet under grensefrekvensen passerer [7]. For lavpassfilteret bør avbruddsfrekvensen være øvre grense for signalområdet. Som tidligere nevnt er det øvre området for EKG -signalet 150 Hz [2]. Ved å sette en øvre grense, brukes ikke støy fra andre signaler ved signalinnsamling.

Ligningen for cut off -frekvensen er f = 1 / (2 * pi * R * C). Som med de tidligere kretskomponentene kan du finne verdiene for R og C ved å koble til frekvensen og sette en av komponentverdiene [7]. For lavpassfilteret ble kondensatoren satt til 1 µF og ønsket avbruddsfrekvens er 150 Hz. Ved bruk av avbruddsfrekvensligningen beregnes verdien for motstandskomponenten til 1 kΩ. Det første bildet for dette trinnet er en komplett lavpasfilterskjema.

De samme parameterne som er definert for hakkfilteret, brukes til AC Sweep -analysen av lavpassfilteret, vist i det andre bildet. For denne komponenten er ønsket cutoff -frekvens 150Hz og ved bruk av ligning 3 er den simulerte cut off -frekvensen 159 Hz. Dette har en prosent feil på 6%. Prosentfeilen for denne komponenten er høyere enn foretrukket, men komponentene ble valgt for enkel oversettelse til en fysisk krets. Dette er helt klart et lavpassfilter, basert på frekvensresponsplottet i det andre bildet, ettersom bare signalet under cutoff -frekvensen kan passere ved 5 V, og når frekvensen nærmer seg cut -off frekvensen, reduseres spenningen.

Trinn 4: Trinn 4: Høypassfilter

Den andre passive komponenten for EKG -kretsen er høypassfilteret. Et høypassfilter er et filter som lar enhver frekvens som er større enn cutoff -frekvensen gå gjennom. For denne komponenten vil cutoff -frekvensen være 0,05 Hz. Nok en gang er 0,05 Hz den nedre enden av EKG -signalene [2]. Selv om verdien er så liten, må det fortsatt være et høypassfilter for å filtrere ut eventuell spenningsforskyvning i signalet. Derfor er høypassfilteret fortsatt nødvendig innenfor kretsutformingen, selv om avbruddsfrekvensen er så liten.

Ligningen for cutoff -frekvensen er den samme som lavpassfilteret, f = 1 / (2 * pi * R * C). Motstandsverdien ble satt til 50 kΩ og ønsket avbruddsfrekvens er 0,05 Hz [8]. Ved hjelp av denne informasjonen ble kondensatorverdien beregnet til 63 µF. Det første bildet for dette trinnet er høypassfilteret med passende verdier.

AC Sweep Analysis er det andre filteret. Som lavpassfilteret, når frekvensen av signalet nærmer seg avbruddsfrekvensen, reduseres utgangsspenningen. For høypassfilteret er ønsket avbruddsfrekvens 0,05 Hz og den simulerte cutoff -frekvensen er 0,0505 Hz. Denne verdien ble beregnet ved bruk av lavpasningsavbruddsfrekvensligningen. Prosentfeilen for denne komponenten er 1%. Dette er en akseptabel prosentfeil.

Trinn 5: Trinn 5: Full krets

Hele kretsen er konstruert ved å koble de fire komponentene, instrumenteringsforsterkeren, hakkfilteret, lavpassfilteret og høypassfilteret i serie. Hele kretsdiagrammet er vist i det første bildet for dette trinnet.

Den simulerte responsen vist i den andre figuren fungerer som det var forventet å basere seg på typer komponenter som ble brukt for denne kretsen. Kretsen som er designet, filtrerer bort støy ved både de nedre og øvre grensene for EKG -signalet, samt vellykket filtrering av støy fra kraftledninger. Lavpassfilteret fjerner vellykket signalet under avbruddsfrekvensen. Som vist i frekvensresponsplottet, ved 0,01 Hz, passeres signalet ved 1 V, en verdi som er 5 ganger mindre enn ønsket utgang. Etter hvert som frekvensen øker, øker også utgangsspenningen til den når toppene ved 0,1 Hz. Toppen er rundt 5 V, som er justert med en forsterkning på 1000 for instrumenteringsforsterkeren. Signalet avtar fra 5 V med start ved 10 Hz. Når frekvensen er 60 Hz, sendes det ikke noe signal fra kretsen. Dette var formålet med hakkfilteret og det var ment å motvirke forstyrrelser på kraftledningene. Etter at frekvensen overstiger 60 Hz, begynner spenningen igjen å øke med frekvensen. Til slutt, når frekvensen når 110 Hz når signalet som sekundær topp på omtrent 2 V. Derfra reduseres utgangen på grunn av lavpassfilteret.

Trinn 6: Konklusjon

Formålet med denne oppgaven var å simulere et automatisert EKG som er i stand til å registrere hjertesyklusen nøyaktig. For å gjøre dette måtte det analoge signalet som ville ha blitt tatt fra en pasient forsterkes og deretter filtreres til bare å inkludere EKG -signalet. Dette ble oppnådd ved først å bruke en instrumenteringsforsterker for å øke signalets størrelse omtrent 1000 ganger. Da måtte støyen fra kraftledninger fjernes fra signalet, så vel som støy ovenfra og under det angitte frekvensområdet til et EKG. Dette innebar å inkludere et aktivt hakkfilter samt passive høy- og lavpassfiltre. Selv om sluttproduktet for denne oppgaven var en simulert krets, var det fortsatt en akseptabel feil, med tanke på standardverdiene for resistive og kapasitive komponenter som normalt er tilgjengelige. Over alt systemet utført som forventet og ville kunne overføres til en fysisk krets ganske enkelt.

Trinn 7: Ressurser

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang og S.-H. Tan, "Historien, hotspots og trender innen elektrokardiogram," Journal of geriatric cardiology: JGC, juli 2015. [På nett]. Tilgjengelig: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Tilgang: 01-des-2020].

[2] L. G. Tereshchenko og M. E. Josephson, "Frekvensinnhold og egenskaper ved ventrikulær ledning," Journal of electrocardiology, 2015. [Online]. Tilgjengelig: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Tilgang: 01-des-2020].

[3] “Differensialforsterker-Spenningsundertrekkeren,” Basic Electronics Tutorials, 17-Mar-2020. [På nett]. Tilgjengelig: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Tilgang: 01-des-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan og P. Kinget, "EKG -målesystem", Columbia University.

[5] S. Akwei-Sekyere, "Eliminering av støy fra kraftlinjer i biomedisinske signaler via blindkildeseparasjon og wavelet-analyse," PeerJ, 02-juli-2015. [På nett]. Tilgjengelig: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Tilgang: 01-des-2020].

[6] "Bandstoppfiltre kalles Avvis filtre," Basic Electronics Tutorials, 29. juni-2020. [På nett]. Tilgjengelig: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Tilgang: 01-des-2020].

[7] “Lavpassfilter-Opplæring i passivt RC-filter,” Grunnleggende elektronikkopplæring, 01. mai 2020. [På nett]. Tilgjengelig: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Tilgang: 01-des-2020].

[8] “High Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial,” Basic Electronics Tutorials, 05-Mar-2019. [På nett]. Tilgjengelig: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Tilgang: 01-des-2020].