Outomatiese EKG- BME 305 Finale projek Ekstra krediet: 7 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:23

'N Elektrokardiogram (EKG of EKG) word gebruik om die elektriese seine wat deur 'n hartklop geproduseer word, te meet, en dit speel 'n groot rol in die diagnose en prognose van kardiovaskulêre siektes. Sommige van die inligting wat met 'n EKG verkry is, bevat die ritme van die pasiënt se hartklop sowel as die sterkte van die maat. Elke EKG -golfvorm word gegenereer deur 'n herhaling van die hartsiklus. Data word versamel deur middel van 'n elektrode wat op die vel van die pasiënt geplaas word. Die sein word dan versterk en geraas word gefiltreer om die teenwoordige data behoorlik te ontleed. Deur die gegewens wat ingesamel is, kan navorsers nie net kardiovaskulêre siektes diagnoseer nie, maar die EKG het ook 'n groot rol gespeel om die begrip en erkenning van meer duistere siektes te verhoog. Die implementering van EKG het die behandeling van toestande soos aritmie en iskemie [1] aansienlik verbeter.

Benodighede:

Hierdie instruksie is vir die simulasie van 'n virtuele EKG -toestel, en al wat nodig is om hierdie eksperiment uit te voer, is 'n werkende rekenaar. Die sagteware wat gebruik word vir die volgende simulasies is LTspice XVII en kan van die internet afgelaai word.

Stap 1: Stap 1: Instrumentasie Versterker

Die eerste komponent van die stroombaan is 'n instrumentasie versterker. Soos die naam aandui, word die instrumentversterker gebruik om die grootte van die sein te verhoog. 'N EKG -sein wat nie versterk of gefiltreer word nie, is ongeveer 5 mV in amplitude. Om die sein te filter, moet dit versterk word. 'N Redelike wins vir hierdie stroombaan moet groot wees om die bio -elektriese sein op die regte manier te laat filtreer. Daarom sal die wins van hierdie kring ongeveer 1000 wees. Die algemene vorm van 'n instrumentasie versterker is ingesluit in die beelde vir hierdie stap [2]. Benewens die vergelykings vir die versterking van die stroombaan, word die waardes wat vir elke komponent bereken is, in die tweede prent [3] getoon.

Die versterking is negatief omdat die spanning aan die omkeerpen van die operasionele versterker verskaf word. Die waardes wat in die tweede beeld getoon word, is gevind deur die waardes van R1, R2, R3, en wins as gewenste waardes in te stel en dan vir finale waarde R4 op te los. Die derde beeld vir hierdie stap is die gesimuleerde stroombaan in LTspice, volledig met akkurate waardes.

Om die stroombaan te toets, beide as 'n geheel en as individuele komponente, moet 'n wisselstroom -analise uitgevoer word. Hierdie vorm van analise kyk na die grootte van die sein namate die frekwensies verander. Daarom moet die tipe analise van AC-analise-sweep 'n dekade duur, omdat dit die x-as-skaal bepaal en meer bevorderlik is om die resultate akkuraat te lees. Per dekade behoort daar 100 datapunte te wees. Dit sal die neigings in die data akkuraat weergee sonder om die program te oorwerk, om doeltreffendheid te verseker. Die begin- en stopfrekwensiewaarde moet beide afsnyprekwensies insluit. Daarom is 'n redelike beginfrekwensie 0,01 Hz en 'n redelike stopfrekwensie 1kHz. Vir die instrumentasie versterker is die insetfunksie 'n sinusgolf met 'n grootte van 5 mV. 5 mV stem ooreen met die standaard amplitude van 'n EKG -sein [4]. 'N Sinusgolf boots die veranderende aspekte van 'n EKG -sein na. Al hierdie analise -instellings, behalwe die ingangsspanning, is dieselfde vir elke komponent.

Die finale beeld is die frekwensieresponsgrafiek vir die instrumentasieversterker. Dit toon aan dat die instrumentasieversterker die grootte van die insetsein met ongeveer 1000 kan verhoog. Die gewenste versterking vir die instrumentasieversterker was 1000. Die wins van die gesimuleerde instrumentversterker is 999,6, gevind met behulp van die vergelyking wat op die tweede foto getoon word. Die persentasie fout tussen die gewenste wins en die eksperimentele wins is 0,04%. Dit is 'n aanvaarbare hoeveelheid persentasiefout.

Stap 2: Stap 2: Kerffilter

Die volgende komponent wat in die EKG -stroombaan gebruik word, is 'n aktiewe filter. 'N Aktiewe filter is slegs 'n filter wat krag benodig om te kan funksioneer. Vir hierdie opdrag is 'n kerffilter die beste aktiewe filter wat gebruik kan word. 'N Kerffilter word gebruik om seine op 'n enkele frekwensie of 'n baie nou reeks frekwensies te verwyder. In die geval van hierdie stroombaan is die frekwensie wat met 'n kerffilter verwyder moet word, 60 Hz. 60 Hz is die frekwensie waarteen kraglyne werk en is dus 'n groot bron van geraas met toestelle. Powerline -geraas verdraai biomediese seine en verminder die kwaliteit van die data [5]. Die algemene vorm van die kerffilter wat vir hierdie stroombaan gebruik word, word op die eerste foto vir hierdie stap getoon. Die aktiewe komponent van die kerffilter is die buffer wat aangeheg is. Die buffer word gebruik om die sein na die kerffilter te isoleer. Aangesien die buffer deel is van die filter en dit benodig krag om te werk, is die kerffilter die aktiewe filterkomponent van hierdie stroombaan.

Die vergelyking vir die weerstands- en kondensatorkomponente van die kerffilter word op die tweede foto [6] getoon. In die vergelyking is fN die frekwensie wat verwyder moet word, wat 60 Hz is. Net soos die instrumentasie versterker, kan óf die weerstand óf die kapasitorwaarde op enige waarde gestel word en die ander waarde bereken deur die vergelyking in die tweede foto. Vir hierdie filter is C 'n waarde van 1 µF toegeken en die res van die waardes is gevind op grond van die waarde. Die waarde van die kapasitor is bepaal op grond van gemak. Die tabel in die tweede foto toon die waardes van 2R, R, 2C en C wat gebruik is.

Die derde prentjie vir hierdie stap is die finale kerffilterbaan met akkurate waardes. Met behulp van die kring is AC Sweep -analise uitgevoer met behulp van 5V. 5V stem ooreen met die spanning na versterking. Die res van die ontledingsparameters is dieselfde as wat in die instrumentversterkerstap gesê is. Die frekwensieresponsgrafiek word op die laaste foto getoon. Deur die waardes en vergelykings in die tweede foto te gebruik, is die werklike frekwensie vir die kerffilter 61,2 Hz. Die gewenste waarde vir die kerffilter was 60 Hz. Deur die persentasie foutvergelyking te gebruik, is daar 'n 2% fout tussen die gesimuleerde filter en die teoretiese filter. Dit is 'n aanvaarbare hoeveelheid fout.

Stap 3: Stap 3: Laagpasfilter

Die laaste tipe deel wat in hierdie stroombaan gebruik word, is die passiewe filter. Soos voorheen genoem, is 'n passiewe filter 'n filter wat nie 'n kragbron benodig om in werking te wees nie. Vir 'n EKG is beide 'n hoëpas- en 'n laagdeurlaatfilter nodig om geraas van die sein behoorlik te verwyder. Die eerste tipe passiewe filter wat by die stroombaan gevoeg word, is 'n laagdeurlaatfilter. Soos die naam aandui, laat dit eers die sein onder die afsnyfrekwensie toe [7]. Vir die laagdeurlaatfilter moet die afsnyfrekwensie die boonste limiet van die seinreeks wees. Soos voorheen genoem, is die boonste omvang van die EKG -sein 150 Hz [2]. Deur 'n boonste limiet te stel, word geraas van ander seine nie gebruik vir die verkryging van seine nie.

Die vergelyking vir die afsnyfrekwensie is f = 1 / (2 * pi * R * C). Soos met die vorige stroombaankomponente, kan die waardes vir R en C gevind word deur die frekwensie in te sluit en een van die komponentwaardes in te stel [7]. Vir die laagdeurlaatfilter is die kapasitor ingestel op 1 µF en die gewenste afsnyfrekwensie is 150 Hz. Deur gebruik te maak van die afsnyfrekwensievergelyking, word die waarde van die weerstandskomponent bereken tot 1 kΩ. Die eerste prentjie vir hierdie stap is 'n volledige skema vir lae deurgefilters.

Dieselfde parameters wat vir die kerffilter gedefinieer is, word gebruik vir die AC Sweep -analise van die laagdeurlaatfilter, wat in die tweede prent getoon word. Vir hierdie komponent is die gewenste afsnyfrekwensie 150Hz en met vergelyking 3 is die gesimuleerde afsnyfrekwensie 159 Hz. Dit het 'n persentasie fout van 6%. Die persentasie fout vir hierdie komponent is hoër as verkies, maar die komponente is gekies om die vertaling na 'n fisiese stroombaan makliker te maak. Dit is duidelik 'n laagdeurlaatfilter, gebaseer op die frekwensieresponsgrafiek in die tweede beeld, aangesien slegs die sein onder die afsnyfrekwensie by 5 V kan slaag, en namate die frekwensie die afsnyfrekwensie nader, neem die spanning af.

Stap 4: Stap 4: High Pass Filter

Die tweede passiewe komponent vir die EKG -stroombaan is die hoëpasfilter. 'N Hoogdeurlaatfilter is 'n filter waarmee enige frekwensie wat groter is as die afsnyfrekwensie, kan deurgaan. Vir hierdie komponent is die afsnyfrekwensie 0,05 Hz. Weereens is 0,05 Hz die onderste punt van die reeks EKG -seine [2]. Alhoewel die waarde so klein is, moet daar steeds 'n hoëpasfilter wees om enige spanningverskil in die sein uit te filter. Daarom is die hoogdeurlaatfilter steeds nodig binne die kringontwerp, alhoewel die afsnyfrekwensie so klein is.

Die vergelyking vir die afsnyfrekwensie is dieselfde as die laagdoorlaatfilter, f = 1 / (2 * pi * R * C). Die weerstandswaarde is ingestel op 50 kΩ en die gewenste afsnyfrekwensie is 0,05 Hz [8]. Met behulp van hierdie inligting is die kapasitorwaarde bereken tot 63 µF. Die eerste beeld vir hierdie stap is die hoëpasfilter met die toepaslike waardes.

Die AC Sweep Analysis is die tweede filter. Soos die laagdeurlaatfilter, namate die frekwensie van die sein die afsnyfrekwensie nader, neem die uitsetspanning af. Vir die hoëpasfilter is die gewenste afsnyfrekwensie 0,05 Hz en die gesimuleerde afsnyfrekwensie 0,0505 Hz. Hierdie waarde is bereken deur gebruik te maak van die laag deurlaat afsny frekwensie vergelyking. Die persentasie fout vir hierdie komponent is 1%. Dit is 'n aanvaarbare persentasiefout.

Stap 5: Stap 5: Volledige stroombaan

Die hele stroombaan word saamgestel deur die vier komponente, die instrumentasieversterker, die kerffilter, die laagdeurlaatfilter en die hoogdeurlaatfilter in serie te verbind. Die volledige kringdiagram word in die eerste prent vir hierdie stap getoon.

Die gesimuleerde reaksie wat in die tweede figuur getoon word, werk omdat dit na verwagting sou baseer op die tipes komponente wat vir hierdie stroombaan gebruik word. Die ontwerpte stroombaan filter geraas by die onderste en boonste grense van die EKG -sein, sowel as om die geraas van kraglyne suksesvol uit te filter. Die laagdeurlaatfilter verwyder die sein onder die afsnyfrekwensie suksesvol. Soos getoon in die frekwensieresponsgrafiek, by 0.01 Hz, word die sein by 1 V deurgegee, 'n waarde wat 5 keer minder is as die gewenste uitset. Namate die frekwensie toeneem, styg die uitgangsspanning ook totdat dit sy pieke bereik by 0.1 Hz. Die piek is ongeveer 5 V, wat in lyn is met 'n wins van 1000 vir die instrumentasie versterker. Die sein neem af van 5 V vanaf 10 Hz. Teen die tyd dat die frekwensie 60 Hz is, word daar geen sein deur die stroombaan gestuur nie. Dit was die doel van die kerffilter en dit was bedoel om die inmenging van die kragdrade teen te werk. Nadat die frekwensie 60 Hz oorskry, begin die spanning weer met frekwensie toeneem. Ten slotte, sodra die frekwensie 110 Hz bereik, bereik die sein as 'n sekondêre piek van ongeveer 2 V. Van daar af neem die uitset af as gevolg van die laagdeurlaatfilter.

Stap 6: Gevolgtrekking

Die doel van hierdie opdrag was om 'n outomatiese EKG te simuleer wat die hartsiklus akkuraat kan opneem. Om dit te kan doen, moet die analoog sein wat van 'n pasiënt geneem is, versterk word en dan gefiltreer word om slegs die EKG -sein in te sluit. Dit is bereik deur eers 'n instrumentasieversterker te gebruik om die grootte van die sein ongeveer 1000 keer te verhoog. Dan moes die geraas van kraglyne van die sein verwyder word, sowel as die geraas van bo en onder die aangewese frekwensiebereik van 'n EKG. Dit beteken dat 'n aktiewe kerffilter sowel as 'n passiewe hoë- en laagdeurlaatfilter ingesluit moet word. Alhoewel die finale produk vir hierdie opdrag 'n gesimuleerde stroombaan was, was daar steeds 'n aanvaarbare fout, met inagneming van die standaardwaardes vir weerstandbiedende en kapasitiewe komponente wat normaalweg beskikbaar is. Oor die algemeen het die stelsel uitgevoer soos verwag en sou dit maklik kon oorgaan na 'n fisiese stroombaan.

Stap 7: Hulpbronne

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang, en S.-H. Tan, "Die geskiedenis, hotspots en tendense van elektrokardiogram," Journal of geriatric cardiology: JGC, Jul-2015. [Aanlyn]. Beskikbaar: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Besoek: 01-Des-2020].

[2] L. G. Tereshchenko en M. E. Josephson, "Frekwensie -inhoud en eienskappe van ventrikulêre geleiding," Journal of electrocardiology, 2015. [Online]. Beskikbaar: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Besoek: 01-Des-2020].

[3] "Differensiële versterker-die spanningsaftrekker," Basiese tutoriale vir elektronika, 17-Maart-2020. [Aanlyn]. Beskikbaar: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Besoek: 01-Des-2020].

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

[5] S. Akwei-Sekyere, "Eliminasie van die kraglyn-geraas in biomediese seine via blinde skeiding en wavelet-analise," PeerJ, 02-Jul-2015. [Aanlyn]. Beskikbaar: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Besoek: 01-Des-2020].

[6] "Bandstopfilters word afwysfilters genoem," Basiese elektroniese tutoriale, 29 Junie 2020. [Aanlyn]. Beskikbaar: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Besoek: 01-Des-2020].

[7] "Laagpasfilter-Passiewe RC-filterstudie," Basiese elektroniese tutoriale, 01-Mei-2020. [Aanlyn]. Beskikbaar: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Besoek: 01-Des-2020].

[8] “High Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial,” Basiese elektroniese tutoriale, 05-Mar-2019. [Aanlyn]. Beskikbaar: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Toegang verkry: 01-Des-2020].