ავტომატური ეკგ- BME 305 საბოლოო პროექტი დამატებითი კრედიტი: 7 ნაბიჯი

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:15

ელექტროკარდიოგრამა (ეკგ ან ეკგ) გამოიყენება გულისცემის გამომუშავებული ელექტრული სიგნალების გასაზომად და ის დიდ როლს ასრულებს გულ -სისხლძარღვთა დაავადებების დიაგნოსტიკასა და პროგნოზში. ეკგ -დან მიღებული ზოგიერთი ინფორმაცია მოიცავს პაციენტის გულისცემის რიტმს, ასევე დარტყმის სიძლიერეს. თითოეული ეკგ -ის ტალღის ფორმა წარმოიქმნება გულის ციკლის განმეორებით. მონაცემები გროვდება პაციენტის კანზე მოთავსებული ელექტროდის საშუალებით. სიგნალი გაძლიერდება და ხმაური იფილტრება არსებული მონაცემების სწორად გასაანალიზებლად. შეგროვებული მონაცემების გამოყენებით მკვლევარებს შეუძლიათ არა მხოლოდ გულ -სისხლძარღვთა დაავადებების დიაგნოსტიკა, არამედ ეკგ -მ ასევე დიდი როლი ითამაშა უფრო ბუნდოვანი დაავადებების გაგებისა და აღიარების გაზრდაში. ეკგ -ს განხორციელებამ მნიშვნელოვნად გააუმჯობესა ისეთი მდგომარეობების მკურნალობა, როგორიცაა არითმია და იშემია [1].

მასალები:

ეს ინსტრუქცია არის ვირტუალური ეკგ მოწყობილობის სიმულაციისთვის და, შესაბამისად, ყველაფერი რაც საჭიროა ამ ექსპერიმენტის ჩასატარებლად არის სამუშაო კომპიუტერი. შემდეგი სიმულაციებისთვის გამოყენებული პროგრამული უზრუნველყოფა არის LTspice XVII და მისი ჩამოტვირთვა შესაძლებელია ინტერნეტიდან.

ნაბიჯი 1: ნაბიჯი 1: ინსტრუმენტების გამაძლიერებელი

მიკროსქემის პირველი კომპონენტია ინსტრუმენტის გამაძლიერებელი. როგორც სახელი გვთავაზობს, ინსტრუმენტული გამაძლიერებელი გამოიყენება სიგნალის სიდიდის გასაზრდელად. ეკგ სიგნალი, რომელიც არ არის გაძლიერებული ან გაფილტრული, არის დაახლოებით 5 მვ ამპლიტუდაში. სიგნალის გაფილტვრის მიზნით, საჭიროა მისი გაძლიერება. ამ სქემის გონივრული მოგება დიდი უნდა იყოს, რათა ბიოელექტრონული სიგნალი სათანადოდ გაფილტრული იყოს. ამრიგად, ამ წრის მოგება იქნება დაახლოებით 1000. ინსტრუმენტული გამაძლიერებლის ზოგადი ფორმა მოცემულია ამ ნაბიჯის სურათებში [2]. გარდა სქემის მომატების განტოლებებისა, მნიშვნელობები, რომლებიც გამოითვალა თითოეული კომპონენტისთვის, ნაჩვენებია მეორე სურათზე [3].

მოგება უარყოფითია, რადგან ძაბვა მიეწოდება საოპერაციო გამაძლიერებლის ინვერტორულ პინს. მეორე სურათზე ნაჩვენები მნიშვნელობები იქნა ნაპოვნი R1, R2, R3 მნიშვნელობების დაყენებით და სასურველი მნიშვნელობების მიღებით და შემდეგ საბოლოო მნიშვნელობის R4 ამოხსნით. ამ ნაბიჯის მესამე სურათი არის სიმულაციური წრე LTspice– ში, სრული ზუსტი მნიშვნელობებით.

მიკროსქემის შესამოწმებლად, როგორც მთლიანად, ისე ცალკეული კომპონენტებისათვის, უნდა ჩატარდეს ცვლადი დენის (AC) ანალიზი. ანალიზის ეს ფორმა უყურებს სიგნალის სიდიდეს სიხშირეების შეცვლისას. ამრიგად, AC ანალიზის გაწმენდის ტიპი უნდა იყოს ათწლეული, რადგან ის ადგენს x ღერძის სკალირებას და უფრო ხელსაყრელია შედეგების ზუსტად წასაკითხად. ათწლეულის განმავლობაში უნდა იყოს 100 მონაცემთა წერტილი. ეს ზუსტად გადმოსცემს მონაცემთა ტენდენციებს პროგრამის გადატვირთულობის გარეშე, უზრუნველყოფს ეფექტურობას. საწყისი და გაჩერების სიხშირის მნიშვნელობები უნდა მოიცავდეს ორივე წყვეტილ სიხშირეს. ამრიგად, გონივრული საწყისი სიხშირეა 0.01 ჰც და გონივრული გაჩერების სიხშირეა 1 კჰც. ინსტრუმენტული გამაძლიერებლისთვის, შეყვანის ფუნქცია არის სინუსური ტალღა, რომლის სიმძლავრეა 5 მვ. 5 მვ შეესაბამება ეკგ სიგნალის სტანდარტულ ამპლიტუდას [4]. სინუსური ტალღა ასახავს ეკგ სიგნალის ცვალებად ასპექტებს. ანალიზის ყველა ეს პარამეტრი, გარდა ძაბვისა, ერთნაირია თითოეული კომპონენტისთვის.

საბოლოო სურათი არის ინსტრუმენტული გამაძლიერებლის სიხშირის საპასუხო ნაკვეთი. ეს გვიჩვენებს, რომ ინსტრუმენტულ გამაძლიერებელს შეუძლია გაზარდოს შეყვანის სიგნალის სიდიდე დაახლოებით 1000 -ით. ინსტრუმენტული გამაძლიერებლისთვის სასურველი მოგება იყო 1000. სიმულაციური ინსტრუმენტის გამაძლიერებლის მოგება არის 999.6, რომელიც ნაპოვნია მეორე ფოტოზე ნაჩვენები განტოლების გამოყენებით. პროცენტული შეცდომა სასურველ მოგებასა და ექსპერიმენტულ მოგებას შორის არის 0.04%. ეს არის პროცენტული შეცდომის მისაღები რაოდენობა.

ნაბიჯი 2: ნაბიჯი 2: მაღალი დონის ფილტრი

ეკგ -ს წრეში გამოყენებული შემდეგი კომპონენტი არის აქტიური ფილტრი. აქტიური ფილტრი არის მხოლოდ ფილტრი, რომელიც მოითხოვს ენერგიას ფუნქციონირებისთვის. ამ დავალებისთვის, საუკეთესო აქტიური ფილტრი, რომელიც გამოიყენება, არის მაღალი დონის ფილტრი. მაღალი დონის ფილტრი გამოიყენება სიგნალის ამოსაღებად ერთი სიხშირით ან ძალიან ვიწრო სიხშირეზე. ამ მიკროსქემის შემთხვევაში, სიხშირე, რომელიც ამოღებულია მაღალი დონის ფილტრით, არის 60 ჰერცი. 60 Hz არის სიხშირე, რომელზეც მუშაობს ელექტროგადამცემი ხაზები და, შესაბამისად, წარმოადგენს ხმაურის დიდ წყაროს მოწყობილობებთან. ელექტროგადამცემი ხმაური ამახინჯებს ბიომედიკურ სიგნალებს და ამცირებს მონაცემების ხარისხს [5]. ამ წრედისთვის გამოყენებული მაღალი დონის ფილტრის ზოგადი ფორმა ნაჩვენებია ამ ნაბიჯის პირველ ფოტოში. მაღალი დონის ფილტრის აქტიური კომპონენტია ბუფერი, რომელიც მიმაგრებულია. ბუფერი გამოიყენება სიგნალის იზოლირებისთვის მაღალი დონის ფილტრის შემდეგ. ვინაიდან ბუფერი არის ფილტრის ნაწილი და მას სჭირდება ძალა, რომ იმუშაოს, მაღალი დონის ფილტრი არის ამ წრის აქტიური ფილტრის კომპონენტი.

მაღალი დონის ფილტრის რეზისტენტული და კონდენსატორული კომპონენტების განტოლება ნაჩვენებია მეორე ფოტოში [6]. განტოლებაში fN არის ამოღების სიხშირე, რომელიც არის 60 ჰც. როგორც ინსტრუმენტული გამაძლიერებელი, ან რეზისტორის ან კონდენსატორის მნიშვნელობა შეიძლება დადგინდეს ნებისმიერ მნიშვნელობაზე, ხოლო მეორე მნიშვნელობა გამოითვალოს მეორე ფოტოზე ნაჩვენები განტოლებით. ამ ფილტრისთვის C- ს მიენიჭა 1 μF მნიშვნელობა და დანარჩენი მნიშვნელობები იქნა ნაპოვნი ამ მნიშვნელობიდან გამომდინარე. კონდენსატორის ღირებულება განისაზღვრა მოხერხებულობის საფუძველზე. მეორე ფოტოს ცხრილი აჩვენებს 2R, R, 2C და C მნიშვნელობებს, რომლებიც გამოყენებულია.

ამ ნაბიჯის მესამე სურათი არის საბოლოო დონის ფილტრის წრე ზუსტი მნიშვნელობებით. ამ სქემის გამოყენებით, AC Sweep ანალიზი ჩატარდა 5V გამოყენებით. 5V შეესაბამება ძაბვას გაძლიერების შემდეგ. დანარჩენი ანალიზის პარამეტრები იგივეა რაც მითითებულია ინსტრუმენტული გამაძლიერებლის საფეხურზე. სიხშირის რეაგირების ნაკვეთი ნაჩვენებია საბოლოო ფოტოში. მეორე ფოტოში მოცემული ღირებულებებისა და განტოლებების გამოყენებით, ფაქტობრივი სიხშირე ფილტრისთვის არის 61.2 ჰერცი. მაღალი დონის ფილტრის სასურველი მნიშვნელობა იყო 60 ჰერცი. პროცენტული შეცდომის განტოლების გამოყენებით, არის 2% შეცდომა იმიტირებულ ფილტრსა და თეორიულ ფილტრს შორის. ეს არის მისაღები რაოდენობის შეცდომა.

ნაბიჯი 3: ნაბიჯი 3: დაბალი გამავლობის ფილტრი

ამ წრეში გამოყენებული ნაწილის ბოლო ტიპი არის პასიური ფილტრი. როგორც უკვე აღვნიშნეთ, პასიური ფილტრი არის ფილტრი, რომელიც არ საჭიროებს ენერგიის წყაროს ფუნქციონირებისათვის. ეკგ -სთვის საჭიროა როგორც მაღალი გავლის, ასევე დაბალი გავლის ფილტრი სიგნალიდან ხმაურის სათანადოდ ამოსაღებად. პირველი ტიპის პასიური ფილტრი, რომელიც უნდა დაემატოს სქემას არის დაბალი გამავლობის ფილტრი. როგორც სახელი გვთავაზობს, ეს პირველად იძლევა სიგნალის გადაკვეთის სიხშირის ქვემოთ გადასვლის საშუალებას [7]. დაბალი გავლის ფილტრისთვის, გათიშვის სიხშირე უნდა იყოს სიგნალის დიაპაზონის ზედა ზღვარი. როგორც უკვე აღვნიშნეთ, ეკგ სიგნალის ზედა დიაპაზონი არის 150 ჰერცი [2]. ზედა ზღვრის დაწესებით, სხვა სიგნალების ხმაური არ გამოიყენება სიგნალის მოპოვებაში.

გათიშვის სიხშირის განტოლება არის f = 1 / (2 * pi * R * C). როგორც წინა მიკროსქემის კომპონენტები, R და C მნიშვნელობების პოვნა შესაძლებელია სიხშირის ჩართვით და კომპონენტის ერთ -ერთი მნიშვნელობის დაყენებით [7]. დაბალი გამტარობის ფილტრისთვის კონდენსატორი დადგენილია 1 µF და სასურველი გათიშვის სიხშირეა 150 Hz. გათიშვის სიხშირის განტოლების გამოყენებით, რეზისტორის კომპონენტის მნიშვნელობა გამოითვლება 1 kΩ. ამ ნაბიჯის პირველი სურათი არის დაბალი დაბალ გავლის ფილტრის სქემატური სქემა.

იგივე პარამეტრები, რომლებიც განსაზღვრულია მაღალი დონის ფილტრისთვის, გამოიყენება მეორე სურათზე ნაჩვენები დაბალი გამავლობის ფილტრის AC Sweep ანალიზისთვის. ამ კომპონენტისთვის სასურველი გათიშვის სიხშირეა 150 Hz და განტოლების 3 გამოყენებით, სიმულაციური გათიშვის სიხშირეა 159 Hz. ამას აქვს პროცენტული შეცდომა 6%. ამ კომპონენტის პროცენტული შეცდომა უფრო მაღალია ვიდრე სასურველი, მაგრამ კომპონენტები შეირჩა ფიზიკურ წრედ თარგმნის სიმარტივისთვის. ეს აშკარად დაბალი გამავლობის ფილტრია, რომელიც დაფუძნებულია მეორე სურათზე სიხშირის საპასუხო ნაკვეთზე, ვინაიდან მხოლოდ სიგნალს ჩამორჩენის სიხშირის ქვემოთ შეუძლია გაიაროს 5 ვ -ზე და როდესაც სიხშირე მიუახლოვდა გათიშვის სიხშირეს, ძაბვა მცირდება.

ნაბიჯი 4: ნაბიჯი 4: მაღალი გავლის ფილტრი

ეკგ -ს წრედის მეორე პასიური კომპონენტი არის მაღალი გამავლობის ფილტრი. მაღალი გამავლობის ფილტრი არის ფილტრი, რომლის საშუალებითაც შესაძლებელია ნებისმიერი სიხშირის გადაჭარბება, ვიდრე შეწყვეტის სიხშირე. ამ კომპონენტისთვის, შეწყვეტის სიხშირე იქნება 0.05 ჰერცი. კიდევ ერთხელ 0.05 ჰც არის ეკგ სიგნალების დიაპაზონის ქვედა ბოლო [2]. მიუხედავად იმისა, რომ მნიშვნელობა იმდენად მცირეა, მაინც უნდა იყოს მაღალი გამავლობის ფილტრი, რათა სიგნალში მოხდეს ძაბვის კომპენსირების გაფილტვრა. ამრიგად, მაღალი გამავლობის ფილტრი ჯერ კიდევ აუცილებელია სქემის დიზაინში, მიუხედავად იმისა, რომ შეწყვეტის სიხშირე იმდენად მცირეა.

შეწყვეტის სიხშირის განტოლება იგივეა, რაც დაბალი გამტარი ფილტრი, f = 1 / (2 * pi * R * C). რეზისტორის მნიშვნელობა იყო 50 kΩ და სასურველი გათიშვის სიხშირეა 0.05 Hz [8]. ამ ინფორმაციის გამოყენებით, კონდენსატორის მნიშვნელობა გამოითვლება 63 μF– მდე. ამ ნაბიჯის პირველი სურათი არის მაღალი გავლის ფილტრი შესაბამისი მნიშვნელობებით.

AC Sweep Analysis არის მეორე ფილტრი. დაბალი გავლის ფილტრის მსგავსად, სიგნალის სიხშირე უახლოვდება გათიშვის სიხშირეს, გამომავალი ძაბვა მცირდება. მაღალი გამავლობის ფილტრისთვის სასურველი გათიშვის სიხშირეა 0.05 ჰც და სიმულაციური გათიშვის სიხშირეა 0.0505 ჰც. ეს მნიშვნელობა გამოითვლება დაბალი გამავლობის სიხშირის განტოლების გამოყენებით. ამ კომპონენტის პროცენტული შეცდომა არის 1%. ეს არის მისაღები პროცენტული შეცდომა.

ნაბიჯი 5: ნაბიჯი 5: სრული წრე

მთელი წრე აგებულია ოთხი კომპონენტის, ინსტრუმენტული გამაძლიერებლის, მაღალი დონის ფილტრის, დაბალი გავლის ფილტრისა და მაღალი გავლის ფილტრის ერთმანეთთან შეერთებით. სრული დიაგრამა ნაჩვენებია ამ სურათის პირველ სურათზე.

მეორე ფიგურაში ნაჩვენები იმიტირებული პასუხი მოქმედებს როგორც მოსალოდნელი იყო ამ სქემისათვის გამოყენებული კომპონენტების ტიპებზე დაყრდნობით. წრე, რომელიც შექმნილია, ფილტრავს ხმაურს ეკგ სიგნალის ქვედა და ზედა ზღვრებზე, ასევე წარმატებით ახდენს ფილტრაციას ხმაურის ელექტროგადამცემი ხაზებიდან. დაბალი გავლის ფილტრი წარმატებით აშორებს სიგნალს გათიშვის სიხშირის ქვემოთ. როგორც ნაჩვენებია სიხშირის რეაგირების დიაგრამაზე, 0.01 ჰერცზე, სიგნალი გადის 1 ვ -ზე, მნიშვნელობა, რომელიც 5 -ჯერ ნაკლებია სასურველ გამოსავალზე. სიხშირის მატებასთან ერთად გამომავალი ძაბვაც იზრდება მანამ, სანამ პიკს არ მიაღწევს 0,1 ჰც. პიკი არის დაახლოებით 5 V, რაც შეესაბამება ინსტრუმენტული გამაძლიერებლის 1000 მიღებას. სიგნალი მცირდება 5 V– დან 10 Hz– დან. იმ დროისთვის, როდესაც სიხშირე 60 ჰერცს შეადგენს, მიკროსქემის მიერ სიგნალი არ გამოდის. ეს იყო მაღალი დონის ფილტრის მიზანი და ის გულისხმობდა ელექტროგადამცემი ხაზების ჩარევას. მას შემდეგ, რაც სიხშირე 60 ჰც -ს გადააჭარბებს, ძაბვა კიდევ ერთხელ იწყებს ზრდას სიხშირით. დაბოლოს, მას შემდეგ, რაც სიხშირე 110 ჰც -ს მიაღწევს, სიგნალი აღწევს მეორად პიკს დაახლოებით 2 ვ. იქიდან, გამოსავალი მცირდება დაბალი გავლის ფილტრის გამო.

ნაბიჯი 6: დასკვნა

ამ დავალების მიზანი იყო ავტომატიზირებული ეკგ -ს სიმულაცია, რომელსაც შეეძლო გულის ციკლის ზუსტად ჩაწერა. ამის გასაკეთებლად, ანალოგური სიგნალი, რომელიც პაციენტისგან იქნებოდა აღებული, უნდა გაძლიერდეს და შემდეგ გაფილტრული იქნას მხოლოდ ეკგ სიგნალის ჩათვლით. ეს განხორციელდა ინსტრუმენტული გამაძლიერებლის გამოყენებით სიგნალის სიდიდის დაახლოებით 1000 -ჯერ გაზრდის მიზნით. შემდეგ საჭიროა ელექტროგადამცემი ხაზის ხმაურის ამოღება სიგნალიდან, ასევე ხმაური ეკგ -ს განსაზღვრული სიხშირის დიაპაზონის ზემოდან და ქვემოდან. ეს გულისხმობდა აქტიური დონის ფილტრის, ასევე მაღალი და დაბალი პასიური ფილტრების ჩართვას. მიუხედავად იმისა, რომ ამ დავალების საბოლოო პროდუქტი იყო იმიტირებული წრე, მაინც იყო მისაღები შეცდომა, რაც ითვალისწინებდა რეზისტენტულ და ტევადობის კომპონენტების სტანდარტულ მნიშვნელობებს. ყველა სისტემა შესრულდა ისე, როგორც მოსალოდნელი იყო და შეეძლო ფიზიკურ წრედ გადაყვანა საკმაოდ მარტივად.

ნაბიჯი 7: რესურსები

[1] X.-L. იანგი, გ.-ზ. ლიუ, Y.-H. ტონგი, ჰ. იან, ზ. ხუ, ქ.ჩენი, X. ლიუ, ჰ.-ჰ. ჟანგი, ჰ.-ბ. ვანგმა და ს.-ჰ. ტან, "ელექტროკარდიოგრაფიის ისტორია, ცხელი წერტილები და ტენდენციები", ჟურნალი გერიატრიული კარდიოლოგია: JGC, ივლისი -2015. [ონლაინ]. ხელმისაწვდომია: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [წვდომა: 01-დეკ -2020].

[2] ლ. ტერეშჩენკო და მ. ე. ჯოზეფსონი, "პარკუჭოვანი გამტარობის სიხშირის შინაარსი და მახასიათებლები", ჟურნალი ელექტროკარდიოლოგია, 2015. [ონლაინ]. ხელმისაწვდომია: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [წვდომა: 01-დეკ -2020].

[3] "დიფერენციალური გამაძლიერებელი-ძაბვის ამცილებელი", ძირითადი ელექტრონიკის გაკვეთილები, 17-მარ -2020. [ონლაინ]. ხელმისაწვდომია: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [წვდომა: 01-დეკ -2020].

[4] C.-H. ჩენი, ს.-გ. პან და პ. კინგეტი, "ეკგ გაზომვის სისტემა", კოლუმბიის უნივერსიტეტი.

[5] S. Akwei-Sekyere, “Powerline ხმაურის აღმოფხვრა ბიოსამედიცინო სიგნალებში ბრმა წყაროს გამოყოფისა და ტალღოვანი ანალიზის საშუალებით”, PeerJ, 02-ივლ -2015. [ონლაინ]. ხელმისაწვდომია: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [წვდომა: 01-დეკ -2020].

[6] "Band Stop Filters are called Reject Filters", Basic Electronics Tutorials, 29-Jun-2020. [ონლაინ]. ხელმისაწვდომია: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [წვდომა: 01-დეკ -2020].

[7]”დაბალი გამავლობის ფილტრი-პასიური RC ფილტრის გაკვეთილი,” ძირითადი ელექტრონიკის გაკვეთილები, 01-მაისი -2020. [ონლაინ]. ხელმისაწვდომია: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [წვდომა: 01-დეკ -2020].

[8] „მაღალი გავლის ფილტრი-პასიური RC ფილტრის სახელმძღვანელო“, ძირითადი ელექტრონიკის გაკვეთილები, 05-მარ -2019. [ონლაინ]. ხელმისაწვდომია: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [წვდომა: 01-დეკ -2020].