Zautomatyzowane EKG-BME 305 Projekt końcowy Dodatkowy kredyt: 7 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:26

Elektrokardiogram (EKG lub EKG) służy do pomiaru sygnałów elektrycznych wytwarzanych przez bijące serce i odgrywa dużą rolę w diagnostyce i prognozowaniu chorób układu krążenia. Niektóre informacje uzyskane z EKG obejmują rytm bicia serca pacjenta, a także siłę uderzenia. Każda krzywa EKG jest generowana przez iterację cyklu pracy serca. Dane zbierane są za pomocą elektrody umieszczonej na skórze pacjenta. Sygnał jest następnie wzmacniany, a szumy są odfiltrowywane w celu prawidłowej analizy obecnych danych. Wykorzystując zebrane dane, naukowcy są w stanie nie tylko diagnozować choroby sercowo-naczyniowe, ale EKG odegrało również dużą rolę w lepszym zrozumieniu i rozpoznaniu bardziej niejasnych chorób. Wdrożenie EKG znacznie usprawniło leczenie stanów takich jak arytmia i niedokrwienie [1].

Kieszonkowe dzieci:

Ten Instruktaż służy do symulacji wirtualnego urządzenia EKG, dlatego wszystko, co jest wymagane do przeprowadzenia tego eksperymentu, to działający komputer. Oprogramowanie użyte do poniższych symulacji to LTspice XVII i można je pobrać z Internetu.

Krok 1: Krok 1: Wzmacniacz oprzyrządowania

Pierwszym elementem obwodu jest wzmacniacz oprzyrządowania. Jak sama nazwa wskazuje, w oprzyrządowaniu zastosowano wzmacniacz zwiększający wielkość sygnału. Sygnał EKG, który nie jest wzmacniany ani filtrowany, ma amplitudę około 5 mV. Aby przefiltrować sygnał, należy go wzmocnić. Rozsądne wzmocnienie tego obwodu musiałoby być duże, aby sygnał bioelektryczny był odpowiednio filtrowany. W związku z tym wzmocnienie tego obwodu wyniesie około 1000. Ogólna postać wzmacniacza instrumentacyjnego jest zawarta na obrazach dla tego kroku [2]. Dodatkowo równania na wzmocnienie obwodu, wartości obliczone dla każdego elementu są pokazane na drugim rysunku [3].

Wzmocnienie jest ujemne, ponieważ napięcie jest dostarczane do pinu odwracającego wzmacniacza operacyjnego. Wartości pokazane na drugim obrazie zostały znalezione przez ustawienie wartości R1, R2, R3 i wzmocnienia jako pożądane wartości, a następnie rozwiązanie dla końcowej wartości R4. Trzeci obraz dla tego kroku to symulowany obwód w LTspice, wraz z dokładnymi wartościami.

Aby przetestować obwód, zarówno jako całość, jak i poszczególne elementy, należy przeprowadzić analizę prądu przemiennego (AC). Ta forma analizy analizuje wielkość sygnału wraz ze zmianą częstotliwości. Dlatego typ analizy przemiatania analizy AC powinien wynosić dekadę, ponieważ ustawia skalowanie osi x i jest bardziej sprzyjający dokładnemu odczytaniu wyników. Na dekadę powinno być 100 punktów danych. Pozwoli to dokładnie przekazać trendy w danych bez przepracowania programu, zapewniając wydajność. Wartości częstotliwości początkowej i końcowej powinny obejmować obie częstotliwości odcięcia. Dlatego rozsądna częstotliwość początkowa to 0,01 Hz, a rozsądna częstotliwość zatrzymywania to 1 kHz. W przypadku wzmacniacza pomiarowego funkcją wejściową jest fala sinusoidalna o wielkości 5 mV. 5 mV odpowiada standardowej amplitudzie sygnału EKG [4]. Fala sinusoidalna naśladuje zmieniające się aspekty sygnału EKG. Wszystkie te ustawienia analizy, z wyjątkiem napięcia wejściowego, są takie same dla każdego komponentu.

Ostateczny obraz to wykres odpowiedzi częstotliwościowej dla wzmacniacza oprzyrządowania. To pokazuje, że wzmacniacz instrumentacji jest w stanie zwiększyć wielkość sygnału wejściowego o około 1000. Pożądane wzmocnienie dla wzmacniacza instrumentacji wynosiło 1000. Wzmocnienie symulowanego wzmacniacza instrumentacji wynosi 999,6, znalezione za pomocą równania pokazanego na drugim zdjęciu. Procentowy błąd między wzmocnieniem pożądanym a wzmocnieniem eksperymentalnym wynosi 0,04%. Jest to dopuszczalna wielkość błędu procentowego.

Krok 2: Krok 2: Filtr wycinający

Kolejnym elementem stosowanym w obwodzie EKG jest filtr aktywny. Filtr aktywny to tylko filtr, który do działania wymaga zasilania. W przypadku tego przypisania najlepszym aktywnym filtrem do zastosowania jest filtr wycinający. Filtr wycinający służy do usuwania sygnału o pojedynczej częstotliwości lub bardzo wąskim zakresie częstotliwości. W przypadku tego obwodu częstotliwość do usunięcia filtrem wycinającym wynosi 60 Hz. 60 Hz to częstotliwość, na której działają linie energetyczne, a zatem jest dużym źródłem hałasu w urządzeniach. Szum linii elektroenergetycznej zniekształca sygnały biomedyczne i obniża jakość danych [5]. Ogólny kształt filtra wycinającego zastosowanego w tym obwodzie pokazano na pierwszym zdjęciu tego kroku. Aktywnym składnikiem filtra wycinającego jest dołączony bufor. Bufor służy do izolowania sygnału za filtrem wycinającym. Ponieważ bufor jest częścią filtra i do działania potrzebuje zasilania, filtr wycinający jest aktywnym elementem filtrującym tego obwodu.

Równanie na składową rezystancyjną i kondensatorową filtra wycinającego pokazano na drugim zdjęciu [6]. W równaniu fN jest częstotliwością do usunięcia, która wynosi 60 Hz. Podobnie jak w przypadku wzmacniacza oprzyrządowania, wartość rezystora lub kondensatora można ustawić na dowolną wartość, a inną wartość można obliczyć za pomocą równania pokazanego na drugim zdjęciu. Dla tego filtra C przypisano wartość 1 µF, a pozostałe wartości ustalono na podstawie tej wartości. Wartość kondensatora została ustalona na podstawie wygody. Tabela na drugim zdjęciu pokazuje wartości 2R, R, 2C i C, które zostały użyte.

Trzeci obraz dla tego kroku to końcowy obwód filtra wycinającego z dokładnymi wartościami. Wykorzystując ten obwód, przeprowadzono analizę AC Sweep przy napięciu 5V. 5V odpowiada napięciu po wzmocnieniu. Pozostałe parametry analizy są takie same, jak podano w kroku wzmacniacza oprzyrządowania. Wykres odpowiedzi częstotliwościowej pokazano na ostatnim zdjęciu. Korzystając z wartości i równań na drugim zdjęciu, rzeczywista częstotliwość dla filtra wycinającego wynosi 61,2 Hz. Pożądana wartość dla filtra wycinającego wynosiła 60 Hz. Stosując równanie błędu procentowego, istnieje 2% błąd między filtrem symulowanym a filtrem teoretycznym. Jest to dopuszczalna ilość błędu.

Krok 3: Krok 3: Filtr dolnoprzepustowy

Ostatnim typem części zastosowanej w tym obwodzie jest filtr pasywny. Jak wspomniano wcześniej, filtr pasywny to filtr, który do działania nie wymaga źródła zasilania. W przypadku EKG potrzebny jest zarówno filtr górnoprzepustowy, jak i dolnoprzepustowy, aby prawidłowo usunąć szum z sygnału. Pierwszym typem filtra pasywnego dodawanego do obwodu jest filtr dolnoprzepustowy. Jak sama nazwa wskazuje, w pierwszej kolejności pozwala to na przejście sygnału poniżej częstotliwości odcięcia [7]. Dla filtra dolnoprzepustowego częstotliwość odcięcia powinna być górną granicą zakresu sygnału. Jak już wspomniano, górny zakres sygnału EKG to 150 Hz [2]. Ustawiając górną granicę, szum z innych sygnałów nie jest wykorzystywany w akwizycji sygnału.

Równanie częstotliwości odcięcia to f = 1 / (2 * pi * R * C). Podobnie jak w przypadku poprzednich elementów obwodu, wartości R i C można znaleźć podłączając częstotliwość i ustawiając jedną z wartości składowych [7]. Dla filtra dolnoprzepustowego kondensator został ustawiony na 1 µF, a pożądana częstotliwość odcięcia to 150 Hz. Wykorzystując równanie częstotliwości odcięcia, wartość składowej rezystora jest obliczana na 1 kΩ. Pierwszy obraz tego kroku to kompletny schemat filtra dolnoprzepustowego.

Te same parametry zdefiniowane dla filtra wycinającego są używane do analizy przemiatania AC filtra dolnoprzepustowego, pokazanego na drugim obrazie. Dla tego komponentu pożądana częstotliwość odcięcia wynosi 150 Hz, a przy użyciu równania 3 symulowana częstotliwość odcięcia wynosi 159 Hz. To ma błąd procentowy 6%. Procentowy błąd dla tego komponentu jest wyższy niż preferowany, ale komponenty zostały wybrane ze względu na łatwość translacji do obwodu fizycznego. Jest to wyraźnie filtr dolnoprzepustowy, oparty na wykresie odpowiedzi częstotliwościowej na drugim obrazie, ponieważ tylko sygnał poniżej częstotliwości odcięcia jest w stanie przejść przy 5 V, a gdy częstotliwość zbliża się do częstotliwości odcięcia, napięcie spada.

Krok 4: Krok 4: Filtr górnoprzepustowy

Drugim pasywnym elementem obwodu EKG jest filtr górnoprzepustowy. Filtr górnoprzepustowy to filtr, który przepuszcza każdą częstotliwość większą niż częstotliwość graniczna. Dla tego komponentu częstotliwość graniczna będzie wynosić 0,05 Hz. Po raz kolejny 0,05 Hz to dolna granica zakresu sygnałów EKG [2]. Mimo że wartość jest tak mała, nadal potrzebny jest filtr górnoprzepustowy, aby odfiltrować wszelkie przesunięcia napięcia w sygnale. Dlatego filtr górnoprzepustowy jest nadal niezbędny w projekcie obwodu, mimo że częstotliwość odcięcia jest tak mała.

Równanie częstotliwości odcięcia jest takie samo jak dla filtra dolnoprzepustowego odcięcia, f = 1 / (2 * pi * R * C). Wartość rezystora została ustawiona na 50 kΩ, a pożądana częstotliwość odcięcia to 0,05 Hz [8]. Wykorzystując te informacje, wartość kondensatora została obliczona na 63 µF. Pierwszym obrazem w tym kroku jest filtr górnoprzepustowy z odpowiednimi wartościami.

Analiza AC Sweep to drugi filtr. Podobnie jak filtr dolnoprzepustowy, gdy częstotliwość sygnału zbliża się do częstotliwości odcięcia, napięcie wyjściowe spada. Dla filtra górnoprzepustowego pożądana częstotliwość odcięcia to 0,05 Hz, a symulowana częstotliwość odcięcia to 0,0505 Hz. Wartość tę obliczono z równania częstotliwości odcięcia dolnoprzepustowego. Procentowy błąd dla tego składnika wynosi 1%. Jest to akceptowalny błąd procentowy.

Krok 5: Krok 5: Pełny obwód

Cały obwód jest zbudowany przez połączenie czterech komponentów, wzmacniacza pomiarowego, filtra wycinającego, filtra dolnoprzepustowego i filtra górnoprzepustowego, szeregowo. Pełny schemat obwodu pokazano na pierwszym obrazku dla tego kroku.

Symulowana odpowiedź pokazana na drugim rysunku działa tak, jak oczekiwano, aby opierać się na typach komponentów użytych w tym obwodzie. Zaprojektowany obwód filtruje szumy zarówno na dolnych, jak i górnych granicach sygnału EKG, a także skutecznie odfiltrowuje szumy z linii energetycznych. Filtr dolnoprzepustowy skutecznie usuwa sygnał poniżej częstotliwości odcięcia. Jak pokazano na wykresie odpowiedzi częstotliwościowej, przy 0,01 Hz sygnał jest przepuszczany przy napięciu 1 V, co jest wartością 5 razy mniejszą niż pożądana moc wyjściowa. Wraz ze wzrostem częstotliwości wzrasta również napięcie wyjściowe, aż do osiągnięcia szczytów przy 0,1 Hz. Szczyt wynosi około 5 V, co jest wyrównane ze wzmocnieniem 1000 dla wzmacniacza instrumentacyjnego. Sygnał spada od 5 V począwszy od 10 Hz. Do czasu, gdy częstotliwość wynosi 60 Hz, obwód nie wysyła żadnego sygnału. Taki był cel filtra wycinającego i miał on na celu przeciwdziałanie zakłóceniom linii energetycznych. Gdy częstotliwość przekroczy 60 Hz, napięcie ponownie zaczyna rosnąć wraz z częstotliwością. Wreszcie, gdy częstotliwość osiągnie 110 Hz, sygnał osiąga wtórny szczyt około 2 V. Stamtąd moc wyjściowa spada z powodu filtra dolnoprzepustowego.

Krok 6: Wniosek

Celem tego zadania była symulacja zautomatyzowanego EKG zdolnego do dokładnego rejestrowania cyklu pracy serca. W tym celu sygnał analogowy, który zostałby pobrany od pacjenta, musiał zostać wzmocniony, a następnie przefiltrowany tak, aby obejmował tylko sygnał EKG. Udało się to osiągnąć, używając najpierw wzmacniacza oprzyrządowania, aby zwiększyć amplitudę sygnału około 1000 razy. Następnie trzeba było usunąć z sygnału szum linii energetycznych oraz szum powyżej i poniżej wyznaczonego zakresu częstotliwości EKG. Oznaczało to włączenie aktywnego filtra wycinającego oraz pasywnych filtrów górno- i dolnoprzepustowych. Mimo że produktem końcowym dla tego zadania był obwód symulowany, nadal występował pewien akceptowalny błąd, biorąc pod uwagę standardowe wartości dla normalnie dostępnych elementów rezystancyjnych i pojemnościowych. Ogólnie rzecz biorąc, system działał zgodnie z oczekiwaniami i dość łatwo można go było przekształcić w fizyczny obwód.

Krok 7: Zasoby

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang i S.-H. Tan, „Historia, hotspoty i trendy elektrokardiogramu”, Journal of geriatric cardiology: JGC, lipiec-2015. [Online]. Dostępne: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Dostęp: 01.12.2020].

[2] L. G. Tereshchenko i M. E. Josephson, „Treść częstotliwości i charakterystyka przewodzenia komorowego”, Journal of Electrocardiology, 2015. [Online]. Dostępne: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Dostęp: 01.12.2020].

[3] „Wzmacniacz różnicowy - odejmnik napięcia”, podstawowe samouczki dotyczące elektroniki, 17 marca 2020 r. [Online]. Dostępne: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Dostęp: 1 grudnia 2020 r.].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan i P. Kinget, „System pomiaru EKG”, Columbia University.

[5] S. Akwei-Sekyere, „Eliminacja szumów Powerline w sygnałach biomedycznych poprzez ślepą separację źródła i analizę falkową”, PeerJ, 02-lip-2015. [Online]. Dostępne: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Dostęp: 01.12.2020].

[6] „Filtry zatrzymujące pasmo nazywane są filtrami odrzucającymi”, samouczki podstawowe dotyczące elektroniki, 29 czerwca 2020 r. [Online]. Dostępne: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Dostęp: 01.12.2020].

[7] „Filtr dolnoprzepustowy – samouczek dotyczący pasywnego filtra RC”, samouczki dotyczące elektroniki, 1 maja 2020 r. [Online]. Dostępne: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Dostęp: 1 grudnia 2020 r.].

[8] „Filtr górnoprzepustowy – samouczek dotyczący pasywnego filtra RC”, samouczki dotyczące elektroniki, 05-marzec-2019. [Online]. Dostępne: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Dostęp: 01.12.2020].