Automatiseret EKG-BME 305 Slutprojekt Ekstra kredit: 7 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:25

Et elektrokardiogram (EKG eller EKG) bruges til at måle de elektriske signaler, der produceres af et bankende hjerte, og det spiller en stor rolle i diagnosen og prognosen for hjerte -kar -sygdomme. Nogle af de oplysninger, der er opnået fra et EKG, omfatter rytmen i patientens hjerteslag samt slagets styrke. Hver EKG -kurve genereres af en iteration af hjertecyklussen. Data indsamles gennem elektrode placeret på patientens hud. Signalet forstærkes derefter, og støj filtreres fra for korrekt at analysere de tilstedeværende data. Ved hjælp af de indsamlede data kan forskere ikke kun diagnosticere hjerte -kar -sygdomme, men EKG har også spillet en stor rolle i at øge forståelsen og anerkendelsen af mere uklare sygdomme. Implementeringen af EKG har i høj grad forbedret behandlingen af tilstande såsom arytmi og iskæmi [1].

Tilbehør:

Denne instruks er til simulering af en virtuel EKG -enhed, og derfor er alt, hvad der kræves for at udføre dette eksperiment, en fungerende computer. Den software, der bruges til følgende simuleringer, er LTspice XVII, og den kan downloades fra internettet.

Trin 1: Trin 1: Instrumenteringsforstærker

Den første komponent i kredsløbet er en instrumenteringsforstærker. Som navnet antyder, bruges instrumentforstærkeren til at øge signalets størrelse. Et EKG -signal, der ikke forstærkes eller filtreres, er omtrent 5 mV i amplitude. For at filtrere signalet skal det forstærkes. En rimelig gevinst for dette kredsløb skulle være stor, for at det bioelektriske signal kunne filtreres korrekt. Derfor vil forstærkningen af dette kredsløb være omkring 1000. Den generelle form for en instrumenteringsforstærker er inkluderet i billederne til dette trin [2]. Ud over ligningerne for kredsløbets forstærkning vises de værdier, der blev beregnet for hver komponent, i det andet billede [3].

Forstærkningen er negativ, fordi spændingen tilføres driftsforstærkerens inverteringsstift. Værdierne vist i det andet billede blev fundet ved at indstille værdierne for R1, R2, R3 og gain som ønskede værdier og derefter løse for slutværdi R4. Det tredje billede for dette trin er det simulerede kredsløb i LTspice, komplet med nøjagtige værdier.

For at teste kredsløbet, både som helhed og som individuelle komponenter, bør der udføres en vekselstrøms (AC) analyse. Denne analyseform ser på signalets størrelse, når frekvenserne ændres. Derfor bør analysetypen af AC-analyse-sweep være et årti, fordi det indstiller x-aksens skalering og er mere befordrende for nøjagtigt at aflæse resultaterne. Per årti skulle der være 100 datapunkter. Dette vil præcist formidle tendenserne i dataene uden at overbelaste programmet og sikre effektivitet. Start- og stopfrekvensværdierne bør omfatte begge afskæringsfrekvenser. Derfor er en rimelig startfrekvens 0,01 Hz og en rimelig stopfrekvens er 1 kHz. For instrumenteringsforstærkeren er inputfunktionen en sinusbølge med en størrelse på 5 mV. 5 mV svarer til standardamplituden for et EKG -signal [4]. En sinusbølge efterligner de skiftende aspekter af et EKG -signal. Alle disse analyseindstillinger, bortset fra indgangsspændingen, er de samme for hver komponent.

Det sidste billede er frekvensresponsplottet for instrumenteringsforstærkeren. Dette viser, at instrumenteringsforstærkeren er i stand til at øge størrelsen af indgangssignalet med cirka 1000. Den ønskede forstærkning for instrumentforstærkeren var 1000. Forstærkningen af den simulerede instrumentforstærker er 999,6, fundet ved hjælp af ligningen vist på det andet foto. Den procentvise fejl mellem den ønskede gevinst og den eksperimentelle gevinst er 0,04%. Dette er en acceptabel mængde procentvis fejl.

Trin 2: Trin 2: Hakfilter

Den næste komponent, der bruges i EKG -kredsløbet, er et aktivt filter. Et aktivt filter er bare et filter, der kræver strøm for at fungere. Til denne opgave er det bedste aktive filter, der skal bruges, et hakfilter. Et hakfilter bruges til at fjerne signal ved en enkelt frekvens eller et meget snævert frekvensområde. I tilfælde af dette kredsløb er frekvensen, der skal fjernes med et hakfilter, 60 Hz. 60 Hz er den frekvens, strømledninger opererer ved og er derfor en stor kilde til støj med enheder. Powerline -støj forvrænger biomedicinske signaler og reducerer datakvaliteten [5]. Den generelle form for hakfilteret, der bruges til dette kredsløb, er vist på det første foto for dette trin. Den aktive komponent i hakfilteret er den buffer, der er vedhæftet. Bufferen bruges til at isolere signalet efter hakfilteret. Da bufferen er en del af filteret, og den har brug for strøm for at fungere, er hakfilteret den aktive filterkomponent i dette kredsløb.

Ligningen for hakfilterets resistive og kondensatorkomponenter er vist på det andet foto [6]. I ligningen er fN den frekvens, der skal fjernes, hvilket er 60 Hz. Ligesom instrumenteringsforstærkeren kan enten modstanden eller kondensatorværdien indstilles til en hvilken som helst værdi og den anden værdi beregnes ved hjælp af ligningen vist på det andet foto. For dette filter blev C tildelt en værdi på 1 µF, og resten af værdierne blev fundet baseret på denne værdi. Kondensatorens værdi blev bestemt ud fra bekvemmelighed. Tabellen i det andet foto viser værdierne for 2R, R, 2C og C, der blev brugt.

Det tredje billede for dette trin er det sidste hakfilterkredsløb med nøjagtige værdier. Ved hjælp af dette kredsløb blev AC Sweep -analyse kørt ved hjælp af 5V. 5V svarer til spændingen efter forstærkning. Resten af analyseparametrene er de samme som det, der blev angivet i instrumentforstærkerens trin. Frekvensresponsplottet er vist på det sidste billede. Ved hjælp af værdier og ligninger i det andet foto er den faktiske frekvens for hakfilteret 61,2 Hz. Den ønskede værdi for hakfilteret var 60 Hz. Ved hjælp af procentfejlligningen er der en 2% fejl mellem det simulerede filter og det teoretiske filter. Dette er en acceptabel mængde fejl.

Trin 3: Trin 3: Lavpasfilter

Den sidste type del, der bruges i dette kredsløb, er det passive filter. Som tidligere nævnt er et passivt filter et filter, der ikke kræver en strømkilde for at være i drift. For et EKG er både et højpas- og et lavpasfilter påkrævet for korrekt at fjerne støj fra signalet. Den første type passive filter, der skal tilføjes til kredsløbet, er et lavpasfilter. Som navnet antyder, tillader dette først signal under afskæringsfrekvensen at passere [7]. For lavpasfilteret skal afskæringsfrekvensen være den øvre grænse for signalområdet. Som tidligere nævnt er det øvre område af EKG -signalet 150 Hz [2]. Ved at indstille en øvre grænse bruges støj fra andre signaler ikke til signaloptagelse.

Ligningen for afskæringsfrekvensen er f = 1 / (2 * pi * R * C). Som med de tidligere kredsløbskomponenter kan værdierne for R og C findes ved at tilslutte frekvensen og indstille en af komponentværdierne [7]. For lavpasfilteret blev kondensatoren indstillet til 1 µF, og den ønskede afskæringsfrekvens er 150 Hz. Ved hjælp af afskæringsfrekvensligningen beregnes værdien for modstandskomponenten til 1 kΩ. Det første billede for dette trin er en komplet lavpasfilter skematisk.

De samme parametre defineret for hakfilteret bruges til AC Sweep -analyse af lavpasfilteret, vist i det andet billede. For denne komponent er den ønskede afbrydelsesfrekvens 150Hz og ved hjælp af ligning 3 er den simulerede afbrydelsesfrekvens 159 Hz. Dette har en procentvis fejl på 6%. Procentfejlen for denne komponent er højere end foretrukket, men komponenterne blev valgt for at lette oversættelse til et fysisk kredsløb. Dette er klart et lavpasfilter baseret på frekvensresponsplottet i det andet billede, da kun signalet under afskæringsfrekvensen er i stand til at passere ved 5 V, og når frekvensen nærmer sig afskæringsfrekvensen, falder spændingen.

Trin 4: Trin 4: Højpasfilter

Den anden passive komponent til EKG -kredsløbet er højpasfilteret. Et højpasfilter er et filter, der tillader enhver frekvens, der er større end afskæringsfrekvensen, at gå igennem. For denne komponent vil afskæringsfrekvensen være 0,05 Hz. Endnu en gang er 0,05 Hz den nedre ende af området for EKG -signaler [2]. Selvom værdien er så lille, skal der stadig være et højpasfilter for at filtrere enhver spændingsforskydning i signalet fra. Derfor er højpasfilteret stadig nødvendigt inden for kredsløbets design, selvom afskæringsfrekvensen er så lille.

Ligningen for cutoff -frekvensen er den samme som low pass cut -off filteret, f = 1 / (2 * pi * R * C). Modstandsværdien blev indstillet til 50 kΩ, og den ønskede afbrydelsesfrekvens er 0,05 Hz [8]. Ved hjælp af disse oplysninger blev kondensatorværdien beregnet til 63 µF. Det første billede for dette trin er højpasfilteret med de relevante værdier.

AC Sweep Analysis er det andet filter. Som lavpasfilteret falder udgangsspændingen, når signalets frekvens nærmer sig afskæringsfrekvensen. For højpasfilteret er den ønskede afskæringsfrekvens 0,05 Hz, og den simulerede afskæringsfrekvens er 0,0505 Hz. Denne værdi blev beregnet ved hjælp af lavpasafskæringsfrekvensligningen. Procentfejlen for denne komponent er 1%. Dette er en acceptabel procentfejl.

Trin 5: Trin 5: Fuldt kredsløb

Hele kredsløbet er konstrueret ved at forbinde de fire komponenter, instrumenteringsforstærkeren, hakfilteret, lavpasfilteret og højpasfilteret i serie. Hele kredsløbsdiagrammet er vist i det første billede for dette trin.

Det simulerede svar vist i den anden figur fungerer, da det forventedes at basere sig på de typer komponenter, der bruges til dette kredsløb. Kredsløbet, der er designet, filtrerer støj fra både de nedre og øvre grænser for EKG -signalet samt filtrerer støj fra kraftledninger med succes. Lavpasfilteret fjerner med succes signalet under afskæringsfrekvensen. Som vist i frekvensresponsplottet, ved 0,01 Hz, passeres signalet ved 1 V, en værdi, der er 5 gange mindre end den ønskede output. Når frekvensen stiger, stiger udgangsspændingen også, indtil den når sine toppe ved 0,1 Hz. Toppen er omkring 5 V, hvilket er justeret med en forstærkning på 1000 for instrumenteringsforstærkeren. Signalet falder fra 5 V startende ved 10 Hz. Når frekvensen er 60 Hz, udsendes der ikke noget signal fra kredsløbet. Dette var formålet med hakfilteret og det var beregnet til at modvirke interferensen fra elledningerne. Efter at frekvensen overstiger 60 Hz, begynder spændingen igen at stige med frekvensen. Endelig når signalet når 110 Hz når signalet som sekundær top på omtrent 2 V. Derfra falder output på grund af lavpasfilteret.

Trin 6: Konklusion

Formålet med denne opgave var at simulere et automatiseret EKG, der er i stand til præcist at registrere hjertecyklussen. For at gøre dette skulle det analoge signal, der ville have været taget fra en patient, forstærkes og derefter filtreres til kun at omfatte EKG -signalet. Dette blev opnået ved først at bruge en instrumenteringsforstærker til at øge signalets størrelse omtrent 1000 gange. Derefter skulle støj fra kraftledninger fjernes fra signalet samt støj ovenfra og under det angivne frekvensområde for et EKG. Dette betød at inkorporere et aktivt hakfilter samt passive høj- og lavpasfiltre. Selvom det endelige produkt til denne opgave var et simuleret kredsløb, var der stadig en acceptabel fejl under hensyntagen til standardværdierne for resistive og kapacitive komponenter, der normalt er tilgængelige. Overalt udførte systemet som forventet og kunne let overføres til et fysisk kredsløb.

Trin 7: Ressourcer

[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 tendenser inden for elektrokardiogram", Journal of geriatric cardiology: JGC, Jul-2015. [Online]. Tilgængelig: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Adgang: 01-dec-2020].

[2] L. G. Tereshchenko og M. E. Josephson, "Frekvensindhold og egenskaber ved ventrikulær ledning," Journal of electrocardiology, 2015. [Online]. Tilgængelig: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Adgang: 01-dec-2020].

[3] "Differentialforstærker-Spændingssubtraktoren", Grundlæggende elektroniske vejledninger, 17-mar-2020. [Online]. Tilgængelig: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Adgang: 01-dec-2020].

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

[5] S. Akwei-Sekyere, "Eliminering af powerline-støj i biomedicinske signaler via blindkildeseparation og wavelet-analyse", PeerJ, 02-jul-2015. [Online]. Tilgængelig: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Adgang: 01-dec-2020].

[6] "Båndstopfiltre kaldes Afvis filtre", Grundlæggende elektroniske selvstudier, 29. juni-2020. [Online]. Tilgængelig: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Adgang: 01-dec-2020].

[7] “Lavpasfilter-Selvstudium i passivt RC-filter”, Grundlæggende elektroniske vejledninger, 01-maj-2020. [Online]. Tilgængelig: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Adgang: 01-dec-2020].

[8] “Højpasfilter-Selvstudium i passivt RC-filter,” Grundlæggende elektronikvejledninger, 05-mar-2019. [Online]. Tilgængelig: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Adgang: 01-dec-2020].