Автоматизированная ЭКГ - BME 305 Final Project Дополнительные кредиты: 7 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:47

Электрокардиограмма (ЭКГ или ЭКГ) используется для измерения электрических сигналов, производимых бьющимся сердцем, и играет большую роль в диагностике и прогнозе сердечно-сосудистых заболеваний. Некоторая информация, полученная с помощью ЭКГ, включает ритм сердцебиения пациента, а также силу удара. Каждая кривая ЭКГ генерируется повторением сердечного цикла. Данные собираются с помощью электрода, помещенного на кожу пациента. Затем сигнал усиливается, а шум отфильтровывается для правильного анализа имеющихся данных. Используя собранные данные, исследователи могут не только диагностировать сердечно-сосудистые заболевания, но ЭКГ также сыграла большую роль в улучшении понимания и распознавания более неясных заболеваний. Внедрение ЭКГ значительно улучшило лечение таких состояний, как аритмия и ишемия [1].

Запасы:

Это руководство предназначено для моделирования виртуального устройства ЭКГ, поэтому все, что требуется для проведения этого эксперимента, - это рабочий компьютер. Программное обеспечение, используемое для следующих симуляций, - это LTspice XVII, и его можно загрузить из Интернета.

Шаг 1: Шаг 1: инструментальный усилитель

Первым компонентом схемы является инструментальный усилитель. Как следует из названия, инструментальный усилитель используется для увеличения амплитуды сигнала. Сигнал ЭКГ, который не усиливается или не фильтруется, имеет амплитуду примерно 5 мВ. Чтобы отфильтровать сигнал, его нужно усилить. Разумный коэффициент усиления для этой схемы должен быть большим, чтобы биоэлектрический сигнал фильтровался надлежащим образом. Следовательно, коэффициент усиления этой схемы будет около 1000. Общий вид инструментального усилителя показан на изображениях для этого шага [2]. В дополнение к уравнениям для коэффициента усиления схемы, значения, которые были рассчитаны для каждого компонента, показаны на втором изображении [3].

Коэффициент усиления отрицательный, потому что напряжение подается на инвертирующий вывод операционного усилителя. Значения, показанные на втором изображении, были найдены путем установки значений R1, R2, R3 и усиления в качестве желаемых значений, а затем решения для окончательного значения R4. Третье изображение для этого шага - это смоделированная схема в LTspice с точными значениями.

Чтобы протестировать цепь как в целом, так и по отдельности, следует выполнить анализ переменного тока (AC). Эта форма анализа смотрит на величину сигнала при изменении частот. Следовательно, тип анализа развертки анализа переменного тока должен быть десятилетним, потому что он устанавливает масштабирование по оси x и более способствует точному считыванию результатов. За десятилетие должно быть 100 точек данных. Это позволит точно передать тенденции в данных, не перегружая программу, обеспечивая эффективность. Значения начальной и конечной частоты должны охватывать обе частоты среза. Следовательно, разумная начальная частота составляет 0,01 Гц, а разумная частота остановки - 1 кГц. Для инструментального усилителя входная функция представляет собой синусоидальную волну с амплитудой 5 мВ. 5 мВ соответствует стандартной амплитуде сигнала ЭКГ [4]. Синусоидальная волна имитирует изменяющиеся аспекты сигнала ЭКГ. Все эти настройки анализа, за исключением входного напряжения, одинаковы для каждого компонента.

Окончательное изображение - это график частотной характеристики инструментального усилителя. Это показывает, что инструментальный усилитель может увеличить амплитуду входного сигнала примерно на 1000. Желаемое усиление инструментального усилителя составляло 1000. Коэффициент усиления моделируемого инструментального усилителя составляет 999,6, найденный с использованием уравнения, показанного на второй фотографии. Ошибка в процентах между желаемым усилением и экспериментальным усилением составляет 0,04%. Это приемлемая величина ошибки в процентах.

Шаг 2: Шаг 2: режекторный фильтр

Следующий компонент, используемый в цепи ЭКГ, - это активный фильтр. Активный фильтр - это просто фильтр, которому для работы требуется питание. Для этого назначения лучшим активным фильтром для использования является режекторный фильтр. Режекторный фильтр используется для удаления сигнала на одной частоте или в очень узком диапазоне частот. В случае этой схемы частота, которую нужно удалить с помощью режекторного фильтра, составляет 60 Гц. 60 Гц - это частота, на которой работают линии электропередач, и поэтому они являются большим источником шума для устройств. Шум линии электропередач искажает биомедицинские сигналы и снижает качество данных [5]. Общий вид режекторного фильтра, используемого для этой схемы, показан на первой фотографии этого шага. Активным компонентом режекторного фильтра является прикрепляемый буфер. Буфер используется для изоляции сигнала после режекторного фильтра. Поскольку буфер является частью фильтра и для работы ему требуется питание, режекторный фильтр является активным фильтрующим компонентом этой схемы.

Уравнение для резистивной и емкостной составляющих режекторного фильтра показано на второй фотографии [6]. В уравнении fN - это частота, которую нужно удалить, то есть 60 Гц. Как и в инструментальном усилителе, можно установить любое значение резистора или конденсатора, а другое значение рассчитать по уравнению, показанному на второй фотографии. Для этого фильтра C было присвоено значение 1 мкФ, а остальные значения были найдены на основе этого значения. Стоимость конденсатора была выбрана исходя из удобства. В таблице на второй фотографии показаны использованные значения 2R, R, 2C и C.

Третье изображение для этого шага - окончательная схема режекторного фильтра с точными значениями. Используя эту схему, был проведен анализ развертки переменного тока при напряжении 5 В. 5 В соответствует напряжению после усиления. Остальные параметры анализа такие же, как указано в шаге инструментального усилителя. График АЧХ показан на последней фотографии. Используя значения и уравнения на второй фотографии, фактическая частота режекторного фильтра составляет 61,2 Гц. Желаемое значение режекторного фильтра составляло 60 Гц. Используя уравнение процентной ошибки, существует ошибка 2% между моделируемым фильтром и теоретическим фильтром. Это приемлемое количество ошибок.

Шаг 3: Шаг 3: фильтр низких частот

Последний тип детали, используемой в этой схеме, - это пассивный фильтр. Как упоминалось ранее, пассивный фильтр - это фильтр, для работы которого не требуется источник питания. Для ЭКГ необходимы как фильтр верхних частот, так и фильтр нижних частот, чтобы должным образом удалить шум из сигнала. Первый тип пассивного фильтра, который нужно добавить в схему, - это фильтр нижних частот. Как следует из названия, этот первый пропускает сигнал ниже частоты среза [7]. Для фильтра нижних частот частота среза должна быть верхней границей диапазона сигнала. Как упоминалось ранее, верхний диапазон сигнала ЭКГ составляет 150 Гц [2]. При установке верхнего предела шум от других сигналов не используется при обнаружении сигнала.

Уравнение для частоты отсечки: f = 1 / (2 * pi * R * C). Как и в случае с предыдущими компонентами схемы, значения R и C можно найти, подключив частоту и установив одно из значений компонента [7]. Для фильтра нижних частот емкость конденсатора была установлена на 1 мкФ, а желаемая частота среза - 150 Гц. Используя уравнение частоты отсечки, значение резисторной составляющей рассчитывается как 1 кОм. Первое изображение для этого шага - полная схема фильтра нижних частот.

Те же параметры, что и для режекторного фильтра, используются для развертки переменного тока фильтра нижних частот, показанного на втором изображении. Для этого компонента желаемая частота среза составляет 150 Гц, а с использованием уравнения 3 смоделированная частота среза составляет 159 Гц. Это имеет процентную ошибку 6%. Ошибка в процентах для этого компонента выше, чем предпочтительно, но компоненты были выбраны для простоты преобразования в физическую схему. Это явно фильтр нижних частот, основанный на графике частотной характеристики на втором изображении, поскольку только сигнал ниже частоты среза может пройти при 5 В, и по мере приближения частоты к частоте среза напряжение уменьшается.

Шаг 4: Шаг 4: фильтр высоких частот

Второй пассивный компонент схемы ЭКГ - фильтр верхних частот. Фильтр высоких частот - это фильтр, который пропускает любую частоту, превышающую частоту среза. Для этого компонента частота среза будет 0,05 Гц. И снова 0,05 Гц - это нижний предел диапазона сигналов ЭКГ [2]. Несмотря на то, что значение настолько мало, все же необходим фильтр верхних частот, чтобы отфильтровать любое смещение напряжения в сигнале. Следовательно, фильтр верхних частот по-прежнему необходим в схеме, даже несмотря на то, что частота среза настолько мала.

Уравнение для частоты среза то же, что и для среза фильтра нижних частот, f = 1 / (2 * pi * R * C). Сопротивление резистора было установлено на 50 кОм, а желаемая частота среза - 0,05 Гц [8]. Используя эту информацию, емкость конденсатора была рассчитана как 63 мкФ. Первое изображение для этого шага - фильтр верхних частот с соответствующими значениями.

Анализ развертки переменного тока является вторым фильтром. Как и в случае с фильтром нижних частот, когда частота сигнала приближается к частоте среза, выходное напряжение уменьшается. Для фильтра высоких частот желаемая частота среза составляет 0,05 Гц, а смоделированная частота среза - 0,0505 Гц. Это значение было рассчитано с использованием уравнения частоты отсечки нижних частот. Погрешность в процентах для этого компонента составляет 1%. Это приемлемая процентная ошибка.

Шаг 5: Шаг 5: Полный контур

Вся схема построена путем последовательного соединения четырех компонентов: инструментального усилителя, режекторного фильтра, фильтра нижних частот и фильтра верхних частот. Полная принципиальная схема показана на первом изображении этого шага.

Смоделированный отклик, показанный на втором рисунке, действует, как и ожидалось, на основе типов компонентов, используемых для этой схемы. Разработанная схема отфильтровывает шум как на нижнем, так и на верхнем пределе сигнала ЭКГ, а также успешно отфильтровывает шум от линий электропередач. Фильтр нижних частот успешно удаляет сигнал ниже частоты среза. Как показано на графике частотной характеристики, при 0,01 Гц сигнал проходит при напряжении 1 В, что в 5 раз меньше желаемого выходного сигнала. По мере увеличения частоты выходное напряжение также увеличивается, пока не достигнет пика при 0,1 Гц. Пик составляет около 5 В, что соответствует коэффициенту усиления 1000 для инструментального усилителя. Сигнал уменьшается с 5 В, начиная с 10 Гц. К тому времени, когда частота составляет 60 Гц, схема не выводит сигнал. Это было целью режекторного фильтра и его предназначение - противодействовать помехам в линиях электропередач. После того, как частота превышает 60 Гц, напряжение снова начинает расти с частотой. Наконец, как только частота достигает 110 Гц, сигнал достигает вторичного пика примерно 2 В. Оттуда выходная мощность уменьшается из-за фильтра нижних частот.

Шаг 6: Заключение

Цель этого задания состояла в том, чтобы смоделировать автоматизированную ЭКГ, способную точно регистрировать сердечный цикл. Для этого аналоговый сигнал, который был бы получен от пациента, необходимо усилить, а затем отфильтровать, чтобы включить только сигнал ЭКГ. Для этого сначала использовали инструментальный усилитель, увеличивший амплитуду сигнала примерно в 1000 раз. Затем из сигнала нужно было удалить шум линий электропередач, а также шум сверху и снизу обозначенного частотного диапазона ЭКГ. Это означало включение активного режекторного фильтра, а также пассивных фильтров верхних и нижних частот. Несмотря на то, что конечным продуктом для этого задания была смоделированная схема, все же была некоторая допустимая ошибка, принимая во внимание стандартные значения для резистивных и емкостных компонентов, обычно доступных. В целом система работала так, как ожидалось, и ее можно было довольно легко преобразовать в физическую схему.

Шаг 7: Ресурсы

[1] X.-L. Ян, Г.-З. Лю, Ю.-Х. Тонг, Х. Янь, З. Сюй, К. Чен, Х. Лю, Х.-Х. Чжан, Х.-Б. Ван, С.-Х. Тан, «История, горячие точки и тенденции электрокардиограммы», Журнал гериатрической кардиологии: JGC, июль 2015 г. [Онлайн]. Доступно: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [дата обращения: 01 декабря 2020 г.].

[2] Л. Г. Терещенко и М. Э. Джозефсон, «Частотный состав и характеристики желудочковой проводимости», Журнал электрокардиологии, 2015. [Онлайн]. Доступно: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [дата обращения: 01 декабря 2020 г.].

[3] «Дифференциальный усилитель - вычитатель напряжения», Учебники по основам электроники, 17 марта 2020 г. [Онлайн]. Доступно: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [дата обращения: 01 декабря 2020 г.].

[4] К.-Х. Чен, С.-Г. Пан и П. Кингет, «Система измерения ЭКГ», Колумбийский университет.

[5] S. Akwei-Sekyere, «Устранение шума линии электропередач в биомедицинских сигналах с помощью слепого разделения источников и вейвлет-анализа», PeerJ, 2 июля 2015 г. [Онлайн]. Доступно: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [дата обращения: 01 декабря 2020 г.].

[6] «Полосовые фильтры называются фильтрами отклонения», Учебное пособие по основам электроники, 29 июня 2020 г. [Онлайн]. Доступно: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [дата обращения: 01 декабря 2020 г.].

[7] «Фильтр низких частот - Учебное пособие по пассивному RC-фильтру», Учебники по основам электроники, 01 мая 2020 г. [Онлайн]. Доступно: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [дата обращения: 01 декабря 2020 г.].

[8] «Фильтр высоких частот - Учебное пособие по пассивному RC-фильтру», Учебники по основам электроники, 5 марта 2019 г. [Онлайн]. Доступно: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Доступ: 01 декабря 2020 г.].