Αυτοματοποιημένο ECG-BME 305 Final Project Extra Credit: 7 Βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:31

Ένα ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ ή ΗΚΓ) χρησιμοποιείται για τη μέτρηση των ηλεκτρικών σημάτων που παράγονται από μια καρδιά που χτυπά και παίζει μεγάλο ρόλο στη διάγνωση και την πρόγνωση των καρδιαγγειακών παθήσεων. Ορισμένες από τις πληροφορίες που λαμβάνονται από ένα ΗΚΓ περιλαμβάνουν τον ρυθμό των καρδιακών παλμών του ασθενούς καθώς και τη δύναμη του παλμού. Κάθε κυματομορφή ΗΚΓ δημιουργείται από μια επανάληψη του καρδιακού κύκλου. Τα δεδομένα συλλέγονται μέσω ηλεκτροδίων που τοποθετούνται στο δέρμα του ασθενούς. Το σήμα στη συνέχεια ενισχύεται και ο θόρυβος φιλτράρεται προκειμένου να αναλυθούν σωστά τα υπάρχοντα δεδομένα. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα που συλλέγονται οι ερευνητές είναι σε θέση όχι μόνο να διαγνώσουν καρδιαγγειακές παθήσεις, αλλά το ΗΚΓ έχει επίσης διαδραματίσει μεγάλο ρόλο στην αύξηση της κατανόησης και της αναγνώρισης πιο σκοτεινών ασθενειών. Η εφαρμογή του ΗΚΓ έχει βελτιώσει σημαντικά τη θεραπεία καταστάσεων όπως η αρρυθμία και η ισχαιμία [1].

Προμήθειες:

Αυτό το Instructable είναι για την προσομοίωση μιας εικονικής συσκευής ΗΚΓ και ως εκ τούτου το μόνο που απαιτείται για τη διεξαγωγή αυτού του πειράματος είναι ένας υπολογιστής που λειτουργεί. Το λογισμικό που χρησιμοποιείται στις παρακάτω προσομοιώσεις είναι το LTspice XVII και μπορεί να μεταφορτωθεί από το διαδίκτυο.

Βήμα 1: Βήμα 1: Ενισχυτής οργάνων

Το πρώτο συστατικό του κυκλώματος είναι ένας ενισχυτής οργάνων. Όπως υποδηλώνει το όνομα, ο ενισχυτής οργάνων χρησιμοποιείται για να αυξήσει το μέγεθος του σήματος. Ένα σήμα ΗΚΓ που δεν ενισχύεται ή φιλτράρεται είναι περίπου 5 mV σε πλάτος. Για να φιλτράρετε το σήμα, πρέπει να ενισχυθεί. Ένα λογικό κέρδος για αυτό το κύκλωμα θα πρέπει να είναι μεγάλο προκειμένου το βιοηλεκτρικό σήμα να φιλτραριστεί κατάλληλα. Επομένως, το κέρδος αυτού του κυκλώματος θα είναι περίπου 1000. Η γενική μορφή ενός ενισχυτή οργάνων περιλαμβάνεται στις εικόνες για αυτό το βήμα [2]. Επιπλέον, οι εξισώσεις για το κέρδος του κυκλώματος, οι τιμές που υπολογίστηκαν για κάθε στοιχείο εμφανίζονται στη δεύτερη εικόνα [3].

Το κέρδος είναι αρνητικό επειδή η τάση παρέχεται στον πείρο αναστροφής του λειτουργικού ενισχυτή. Οι τιμές που εμφανίζονται στη δεύτερη εικόνα βρέθηκαν με τον καθορισμό των τιμών των R1, R2, R3 και κέρδος ως επιθυμητών τιμών και στη συνέχεια επίλυσης για την τελική τιμή R4. Η τρίτη εικόνα για αυτό το βήμα είναι το προσομοιωμένο κύκλωμα στο LTspice, πλήρες με ακριβείς τιμές.

Για να δοκιμαστεί το κύκλωμα, τόσο στο σύνολό του όσο και ως μεμονωμένα εξαρτήματα, πρέπει να εκτελεστεί μια ανάλυση εναλλασσόμενου ρεύματος (AC). Αυτή η μορφή ανάλυσης εξετάζει το μέγεθος του σήματος καθώς αλλάζουν οι συχνότητες. Επομένως, ο τύπος ανάλυσης της σάρωσης ανάλυσης εναλλασσόμενου ρεύματος θα πρέπει να διαρκέσει μια δεκαετία, επειδή καθορίζει την κλιμάκωση του άξονα x και είναι πιο ευνοϊκός για την ακριβή ανάγνωση των αποτελεσμάτων. Ανά δεκαετία, θα πρέπει να υπάρχουν 100 σημεία δεδομένων. Αυτό θα μεταφέρει με ακρίβεια τις τάσεις στα δεδομένα χωρίς υπερβολική εργασία του προγράμματος, εξασφαλίζοντας αποτελεσματικότητα. Οι τιμές συχνότητας έναρξης και διακοπής πρέπει να περιλαμβάνουν και τις δύο συχνότητες διακοπής. Επομένως, μια λογική συχνότητα έναρξης είναι 0,01 Hz και μια λογική συχνότητα διακοπής είναι 1kHz. Για τον ενισχυτή οργάνων, η συνάρτηση εισόδου είναι ημιτονοειδές κύμα μεγέθους 5 mV. 5 mV αντιστοιχεί στο τυπικό πλάτος ενός σήματος ΗΚΓ [4]. Ένα ημιτονοειδές κύμα μιμείται τις μεταβαλλόμενες όψεις ενός σήματος ΗΚΓ. Όλες αυτές οι ρυθμίσεις ανάλυσης, εκτός από την τάση εισόδου, είναι ίδιες για κάθε στοιχείο.

Η τελική εικόνα είναι το διάγραμμα απόκρισης συχνότητας για τον ενισχυτή οργάνων. Αυτό δείχνει ότι ο ενισχυτής οργάνων είναι σε θέση να αυξήσει το μέγεθος του σήματος εισόδου κατά περίπου 1000. Το επιθυμητό κέρδος για τον ενισχυτή οργάνων ήταν 1000. Το κέρδος του προσομοιωμένου ενισχυτή οργάνων είναι 999,6, που βρέθηκε χρησιμοποιώντας την εξίσωση που φαίνεται στη δεύτερη φωτογραφία. Το ποσοστό σφάλματος μεταξύ του επιθυμητού κέρδους και του πειραματικού κέρδους είναι 0,04%. Αυτό είναι ένα αποδεκτό ποσοστό τοις εκατό σφάλματος.

Βήμα 2: Βήμα 2: Φίλτρο εγκοπών

Το επόμενο συστατικό που χρησιμοποιείται στο κύκλωμα ΗΚΓ είναι ένα ενεργό φίλτρο. Ένα ενεργό φίλτρο είναι απλώς ένα φίλτρο που απαιτεί ισχύ για να λειτουργήσει. Για αυτήν την εκχώρηση, το καλύτερο ενεργό φίλτρο που θα χρησιμοποιηθεί είναι ένα φίλτρο εγκοπής. Ένα φίλτρο εγκοπής χρησιμοποιείται για την αφαίρεση σήματος σε μία μόνο συχνότητα ή σε πολύ στενό εύρος συχνοτήτων. Στην περίπτωση αυτού του κυκλώματος, η συχνότητα που πρέπει να αφαιρεθεί με ένα φίλτρο εγκοπών είναι 60 Hz. Τα 60 Hz είναι η συχνότητα στην οποία λειτουργούν τα καλώδια τροφοδοσίας και επομένως είναι μια μεγάλη πηγή θορύβου με τις συσκευές. Ο θόρυβος Powerline παραμορφώνει τα βιοϊατρικά σήματα και μειώνει την ποιότητα των δεδομένων [5]. Η γενική μορφή του φίλτρου εγκοπών που χρησιμοποιείται για αυτό το κύκλωμα εμφανίζεται στην πρώτη φωτογραφία για αυτό το βήμα. Το ενεργό συστατικό του φίλτρου εγκοπών είναι το buffer που είναι προσαρτημένο. Το buffer χρησιμοποιείται για την απομόνωση του σήματος μετά το φίλτρο εγκοπών. Δεδομένου ότι το buffer είναι μέρος του φίλτρου και χρειάζεται ενέργεια για να λειτουργήσει, το φίλτρο εγκοπών είναι το ενεργό συστατικό φίλτρου αυτού του κυκλώματος.

Η εξίσωση για τα συστατικά αντίστασης και πυκνωτή του φίλτρου εγκοπών εμφανίζεται στη δεύτερη φωτογραφία [6]. Στην εξίσωση, fN είναι η συχνότητα που πρέπει να αφαιρεθεί, η οποία είναι 60 Hz. Όπως και ο ενισχυτής οργάνων, είτε η τιμή της αντίστασης είτε του πυκνωτή μπορεί να οριστεί σε οποιαδήποτε τιμή και η άλλη τιμή υπολογίζεται από την εξίσωση που φαίνεται στη δεύτερη φωτογραφία. Για αυτό το φίλτρο, ο C έλαβε μια τιμή 1 μF και οι υπόλοιπες τιμές βρέθηκαν με βάση αυτήν την τιμή. Η τιμή του πυκνωτή αποφασίστηκε με βάση την ευκολία. Ο πίνακας στη δεύτερη φωτογραφία εμφανίζει τις τιμές των 2R, R, 2C και C που χρησιμοποιήθηκαν.

Η τρίτη εικόνα για αυτό το βήμα είναι το τελικό κύκλωμα φίλτρου εγκοπής με ακριβείς τιμές. Χρησιμοποιώντας αυτό το κύκλωμα, πραγματοποιήθηκε ανάλυση AC Sweep χρησιμοποιώντας 5V. 5V αντιστοιχεί στην τάση μετά την ενίσχυση. Οι υπόλοιπες παράμετροι ανάλυσης είναι ίδιες με αυτές που αναφέρθηκαν στο βήμα του ενισχυτή οργάνων. Το διάγραμμα απόκρισης συχνότητας εμφανίζεται στην τελική φωτογραφία. Χρησιμοποιώντας τις τιμές και τις εξισώσεις στη δεύτερη φωτογραφία, η πραγματική συχνότητα για το φίλτρο εγκοπών είναι 61,2 Hz. Η επιθυμητή τιμή για το φίλτρο εγκοπής ήταν 60 Hz. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση του ποσοστού σφάλματος, υπάρχει ένα σφάλμα 2% μεταξύ του προσομοιωμένου φίλτρου και του θεωρητικού φίλτρου. Αυτό είναι ένα αποδεκτό ποσό σφάλματος.

Βήμα 3: Βήμα 3: Φίλτρο χαμηλής διέλευσης

Ο τελευταίος τύπος εξαρτήματος που χρησιμοποιείται σε αυτό το κύκλωμα είναι το παθητικό φίλτρο. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ένα παθητικό φίλτρο είναι ένα φίλτρο που δεν απαιτεί πηγή ενέργειας για να είναι σε λειτουργία. Για ένα ΗΚΓ, τόσο ένα φίλτρο υψηλής διέλευσης όσο και ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης χρειάζονται για τη σωστή απομάκρυνση του θορύβου από το σήμα. Ο πρώτος τύπος παθητικού φίλτρου που πρέπει να προστεθεί στο κύκλωμα είναι ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης. Όπως υποδηλώνει το όνομα, αυτό επιτρέπει πρώτα να περάσει το σήμα κάτω από τη συχνότητα διακοπής [7]. Για το φίλτρο χαμηλής διέλευσης, η συχνότητα διακοπής πρέπει να είναι το ανώτερο όριο του εύρους σήματος. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το ανώτερο εύρος του σήματος ΗΚΓ είναι 150 Hz [2]. Με τον καθορισμό ενός ανώτατου ορίου, ο θόρυβος από άλλα σήματα δεν χρησιμοποιείται στην απόκτηση σήματος.

Η εξίσωση για τη συχνότητα διακοπής είναι f = 1 / (2 * pi * R * C). Όπως και με τα προηγούμενα στοιχεία κυκλώματος, οι τιμές για το R και το C μπορούν να βρεθούν συνδέοντας τη συχνότητα και ορίζοντας μία από τις τιμές των εξαρτημάτων [7]. Για το φίλτρο χαμηλής διέλευσης, ο πυκνωτής ορίστηκε 1 μF και η επιθυμητή συχνότητα διακοπής είναι 150 Hz. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση συχνότητας αποκοπής, η τιμή για το εξάρτημα αντίστασης υπολογίζεται ότι είναι 1 kΩ. Η πρώτη εικόνα για αυτό το βήμα είναι ένα πλήρες σχηματικό φίλτρο χαμηλής διέλευσης.

Οι ίδιες παράμετροι που ορίζονται για το φίλτρο εγκοπής χρησιμοποιούνται για την ανάλυση σάρωσης εναλλασσόμενου ρεύματος του φίλτρου χαμηλής διέλευσης, που φαίνεται στη δεύτερη εικόνα. Για αυτό το στοιχείο, η επιθυμητή συχνότητα διακοπής είναι 150Hz και χρησιμοποιώντας την εξίσωση 3, η προσομοιωμένη συχνότητα διακοπής είναι 159 Hz. Αυτό έχει ποσοστό σφάλματος 6%. Το ποσοστό σφάλματος για αυτό το στοιχείο είναι υψηλότερο από το προτιμώμενο, αλλά τα συστατικά επιλέχθηκαν για ευκολία μετάφρασης σε φυσικό κύκλωμα. Αυτό είναι σαφώς ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης, με βάση το διάγραμμα απόκρισης συχνότητας στη δεύτερη εικόνα, καθώς μόνο το σήμα κάτω από τη συχνότητα διακοπής μπορεί να περάσει στα 5 V και καθώς η συχνότητα πλησιάζει τη συχνότητα διακοπής, η τάση μειώνεται.

Βήμα 4: Βήμα 4: Φίλτρο υψηλής διέλευσης

Το δεύτερο παθητικό στοιχείο για το κύκλωμα ΗΚΓ είναι το φίλτρο υψηλής διέλευσης. Ένα φίλτρο υψηλής διέλευσης είναι ένα φίλτρο που επιτρέπει να περάσει οποιαδήποτε συχνότητα μεγαλύτερη από τη συχνότητα διακοπής. Για αυτό το στοιχείο, η συχνότητα διακοπής θα είναι 0,05 Hz. Για άλλη μια φορά 0,05 Hz είναι το κατώτερο άκρο της περιοχής των σημάτων ΗΚΓ [2]. Παρόλο που η τιμή είναι τόσο μικρή, πρέπει να υπάρχει φίλτρο υψηλής διέλευσης για να φιλτράρει τυχόν μετατόπιση τάσης στο σήμα. Επομένως, το φίλτρο υψηλής διέλευσης είναι ακόμα απαραίτητο στο σχεδιασμό του κυκλώματος, παρόλο που η συχνότητα διακοπής είναι τόσο μικρή.

Η εξίσωση για τη συχνότητα διακοπής είναι η ίδια με το φίλτρο διακοπής χαμηλής διέλευσης, f = 1 / (2 * pi * R * C). Η τιμή της αντίστασης ορίστηκε στα 50 kΩ και η επιθυμητή συχνότητα διακοπής είναι 0,05 Hz [8]. Χρησιμοποιώντας αυτές τις πληροφορίες, η τιμή του πυκνωτή υπολογίστηκε στα 63 μF. Η πρώτη εικόνα για αυτό το βήμα είναι το φίλτρο υψηλής διέλευσης με τις κατάλληλες τιμές.

Το AC Sweep Analysis είναι το δεύτερο φίλτρο. Όπως το φίλτρο χαμηλής διέλευσης, καθώς η συχνότητα του σήματος πλησιάζει τη συχνότητα διακοπής, η τάση εξόδου μειώνεται. Για το φίλτρο υψηλής διέλευσης, η επιθυμητή συχνότητα διακοπής είναι 0,05 Hz και η προσομοιωμένη συχνότητα διακοπής είναι 0,0505 Hz. Αυτή η τιμή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την εξίσωση συχνότητας αποκοπής χαμηλής διέλευσης. Το ποσοστό σφάλματος για αυτό το στοιχείο είναι 1%. Αυτό είναι ένα αποδεκτό ποσοστό σφάλματος.

Βήμα 5: Βήμα 5: Πλήρες κύκλωμα

Ολόκληρο το κύκλωμα κατασκευάζεται συνδέοντας τα τέσσερα εξαρτήματα, τον ενισχυτή οργάνων, το φίλτρο εγκοπών, το φίλτρο χαμηλής διέλευσης και το φίλτρο υψηλής διέλευσης, σε σειρά. Το διάγραμμα πλήρους κυκλώματος εμφανίζεται στην πρώτη εικόνα για αυτό το βήμα.

Η προσομοιωμένη απόκριση που φαίνεται στο δεύτερο σχήμα λειτουργεί όπως αναμενόταν να βασίζεται στους τύπους εξαρτημάτων που χρησιμοποιούνται για αυτό το κύκλωμα. Το κύκλωμα που σχεδιάζεται φιλτράρει τον θόρυβο τόσο στο κάτω όσο και στο άνω όριο του σήματος ΗΚΓ καθώς και φιλτράρει επιτυχώς τον θόρυβο από τις γραμμές ισχύος. Το φίλτρο χαμηλής διέλευσης αφαιρεί με επιτυχία το σήμα κάτω από τη συχνότητα διακοπής. Όπως φαίνεται στο διάγραμμα απόκρισης συχνότητας, στα 0,01 Hz, το σήμα περνά στο 1 V, μια τιμή που είναι 5 φορές μικρότερη από την επιθυμητή έξοδο. Καθώς η συχνότητα αυξάνεται, η τάση εξόδου αυξάνεται επίσης μέχρι να φτάσει στις κορυφές της στα 0,1 Hz. Η κορυφή είναι περίπου 5 V, η οποία ευθυγραμμίζεται με ένα κέρδος 1000 για τον ενισχυτή οργάνων. Το σήμα μειώνεται από 5 V ξεκινώντας από 10 Hz. Όταν η συχνότητα είναι 60 Hz, δεν υπάρχει σήμα που εξέρχεται από το κύκλωμα. Αυτός ήταν ο σκοπός του φίλτρου εγκοπών και προοριζόταν να εξουδετερώσει τις παρεμβολές των γραμμών ρεύματος. Αφού η συχνότητα ξεπεράσει τα 60 Hz, η τάση αρχίζει και πάλι να αυξάνεται με τη συχνότητα. Τέλος, μόλις η συχνότητα φτάσει τα 110 Hz, το σήμα φτάνει ως δευτερεύουσα κορυφή περίπου 2 V. Από εκεί, η έξοδος μειώνεται λόγω του φίλτρου χαμηλής διέλευσης.

Βήμα 6: Συμπέρασμα

Ο σκοπός αυτής της εργασίας ήταν να προσομοιώσει ένα αυτοματοποιημένο ΗΚΓ ικανό να καταγράψει με ακρίβεια τον καρδιακό κύκλο. Για να γίνει αυτό, το αναλογικό σήμα που θα είχε ληφθεί από έναν ασθενή έπρεπε να ενισχυθεί και στη συνέχεια να φιλτραριστεί ώστε να περιλαμβάνει μόνο το σήμα ΗΚΓ. Αυτό επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας πρώτα έναν ενισχυτή οργάνων για να αυξήσει το μέγεθος του σήματος περίπου 1000 φορές. Στη συνέχεια, ο θόρυβος των γραμμών ισχύος έπρεπε να αφαιρεθεί από το σήμα καθώς και ο θόρυβος από πάνω και κάτω από το καθορισμένο εύρος συχνοτήτων ενός ΗΚΓ. Αυτό σήμαινε την ενσωμάτωση ενός ενεργού φίλτρου εγκοπής καθώς και παθητικών φίλτρων υψηλής και χαμηλής διέλευσης. Παρόλο που το τελικό προϊόν για αυτήν την ανάθεση ήταν ένα προσομοιωμένο κύκλωμα, εξακολουθούσε να υπάρχει κάποιο αποδεκτό σφάλμα, λαμβάνοντας υπόψη τις τυπικές τιμές για αντιστασιακά και χωρητικά συστατικά που είναι συνήθως διαθέσιμα. Πάνω από όλα το σύστημα λειτουργούσε όπως αναμενόταν και θα μπορούσε να μετατραπεί σε ένα φυσικό κύκλωμα αρκετά εύκολα.

Βήμα 7: Πόροι

[1] Χ.-Λ. Γιανγκ, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang, και S.-H. Tan, "The history, hotspots, and trends of electrocardiogram", Journal of geriatric cardiology: JGC, Jul-2015. [Σε σύνδεση]. Διαθέσιμο: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Πρόσβαση: 01-Δεκ-2020].

[2] L. G. Tereshchenko and M. E. Josephson, "Frequency content and features of ventricular conduction," Journal of electrocardiology, 2015. [Online]. Διαθέσιμο: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Πρόσβαση: 01-Δεκ-2020].

[3] «Διαφορικός ενισχυτής-Ο αφαιρετής τάσης», Βασικά μαθήματα ηλεκτρονικής, 17-Μαρ-2020. [Σε σύνδεση]. Διαθέσιμο: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Πρόσβαση: 01-Δεκ-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan, και P. Kinget, "ECG Measurement System", Columbia University.

[5] S. Akwei-Sekyere, «Εξάλειψη θορύβου Powerline σε βιοϊατρικά σήματα μέσω διαχωρισμού τυφλών πηγών και ανάλυσης κυματοειδών», PeerJ, 02-Ιουλ-2015. [Σε σύνδεση]. Διαθέσιμο: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Πρόσβαση: 01-Δεκ-2020].

[6] «Τα φίλτρα διακοπής ζώνης ονομάζονται φίλτρα απόρριψης», Βασικά μαθήματα ηλεκτρονικής, 29-Ιουν-2020. [Σε σύνδεση]. Διαθέσιμο: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Πρόσβαση: 01-Δεκ-2020].

[7] "Low Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial", Basic Electronics Tutorials, 01-May-2020. [Σε σύνδεση]. Διαθέσιμο: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Πρόσβαση: 01-Δεκ-2020].

[8] "High Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial", Basic Electronics Tutorials, 05-Μαρ-2019. [Σε σύνδεση]. Διαθέσιμο: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Πρόσβαση: 01-Δεκ-2020].