ECG automatizat - BME 305 Proiect final Credit suplimentar: 7 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:41

O electrocardiogramă (ECG sau EKG) este utilizată pentru a măsura semnalele electrice produse de o inimă care bate și joacă un rol important în diagnosticul și prognosticul bolilor cardiovasculare. Unele informații obținute de la un ECG includ ritmul bătăilor inimii pacientului, precum și puterea bătăilor. Fiecare formă de undă ECG este generată de o iterație a ciclului cardiac. Datele sunt colectate prin intermediul electrodului plasat pe pielea pacientului. Semnalul este apoi amplificat și zgomotul este filtrat pentru a analiza corect datele prezente. Folosind datele colectate, cercetătorii pot diagnostica nu numai bolile cardiovasculare, dar și ECG a jucat un rol important în creșterea înțelegerii și recunoașterii bolilor mai obscure. Implementarea ECG a îmbunătățit mult tratamentul unor afecțiuni precum aritmia și ischemia [1].

Provizii:

Acest instructabil este pentru simularea unui dispozitiv ECG virtual și, prin urmare, tot ceea ce este necesar pentru a efectua acest experiment este un computer funcțional. Software-ul folosit pentru următoarele simulări este LTspice XVII și poate fi descărcat de pe internet.

Pasul 1: Pasul 1: Amplificator de instrumentație

Prima componentă a circuitului este un amplificator de instrumentație. După cum sugerează și numele, amplificatorul de instrumentație este utilizat pentru a crește magnitudinea semnalului. Un semnal ECG care nu este amplificat sau filtrat are aproximativ 5 mV în amplitudine. Pentru a filtra semnalul, acesta trebuie amplificat. Un câștig rezonabil pentru acest circuit ar trebui să fie mare pentru ca semnalul bioelectric să fie filtrat corespunzător. Prin urmare, câștigul acestui circuit va fi de aproximativ 1000. Forma generală a unui amplificator de instrumentație este inclusă în imaginile pentru acest pas [2]. În plus, ecuațiile pentru câștigul circuitului, valorile care au fost calculate pentru fiecare componentă sunt prezentate în a doua imagine [3].

Câștigul este negativ deoarece tensiunea este furnizată pinului inversor al amplificatorului operațional. Valorile afișate în a doua imagine au fost găsite prin setarea valorilor R1, R2, R3 și câștig ca valori dorite și apoi rezolvarea pentru valoarea finală R4. A treia imagine pentru acest pas este circuitul simulat în LTspice, completat cu valori precise.

Pentru a testa circuitul, atât ca întreg, cât și ca componente individuale, ar trebui să se efectueze o analiză a curentului alternativ (AC). Această formă de analiză analizează magnitudinea semnalului pe măsură ce frecvențele se schimbă. Prin urmare, tipul de analiză a analizei de curent alternativ ar trebui să fie de un deceniu, deoarece stabilește scalarea axei X și este mai favorabil pentru citirea cu precizie a rezultatelor. Pe deceniu, ar trebui să existe 100 de puncte de date. Acest lucru va transmite cu precizie tendințele datelor fără a suprasolicita programul, asigurând eficiență. Valorile frecvenței de pornire și oprire trebuie să cuprindă ambele frecvențe de tăiere. Prin urmare, o frecvență rezonabilă de pornire este de 0,01 Hz și o frecvență de oprire rezonabilă este de 1 kHz. Pentru amplificatorul de instrumentație, funcția de intrare este o undă sinusoidală cu magnitudinea de 5 mV. 5 mV corespunde cu amplitudinea standard a unui semnal ECG [4]. O undă sinusoidală imită aspectele în schimbare ale unui semnal ECG. Toate aceste setări de analiză, cu excepția tensiunii de intrare, sunt aceleași pentru fiecare componentă.

Imaginea finală este graficul de răspuns în frecvență pentru amplificatorul de instrumentație. Aceasta arată că amplificatorul de instrumentație este capabil să mărească magnitudinea semnalului de intrare cu aproximativ 1000. Câștigul dorit pentru amplificatorul de instrumentație a fost de 1000. Câștigul amplificatorului de instrumentare simulat este de 999,6, găsit folosind ecuația prezentată în a doua fotografie. Procentul de eroare dintre câștigul dorit și câștigul experimental este de 0,04%. Aceasta este o cantitate acceptabilă de eroare procentuală.

Pasul 2: Pasul 2: Filtru de notch

Următoarea componentă utilizată în circuitul ECG este un filtru activ. Un filtru activ este doar un filtru care necesită alimentare pentru a funcționa. Pentru această atribuire, cel mai bun filtru activ care trebuie utilizat este un filtru de notch. Un filtru cu crestături este utilizat pentru a elimina semnalul la o singură frecvență sau la o gamă foarte îngustă de frecvențe. În cazul acestui circuit, frecvența care trebuie îndepărtată cu un filtru cu crestături este de 60 Hz. 60 Hz este frecvența la care operează liniile electrice și, prin urmare, este o sursă mare de zgomot cu dispozitivele. Zgomotul de linie electrică distorsionează semnalele biomedicale și reduce calitatea datelor [5]. Forma generală a filtrului de notch utilizat pentru acest circuit este prezentată în prima fotografie pentru acest pas. Componenta activă a filtrului de notch este tamponul care este atașat. Tamponul este utilizat pentru a izola semnalul după filtrul de notch. Deoarece tamponul face parte din filtru și are nevoie de energie pentru a funcționa, filtrul cu crestături este componenta activă a filtrului acestui circuit.

Ecuația pentru componentele rezistive și condensatoare ale filtrului de notch este prezentată în a doua fotografie [6]. În ecuație, fN este frecvența care trebuie eliminată, care este de 60 Hz. La fel ca și amplificatorul de instrumentație, fie rezistența, fie valoarea condensatorului pot fi setate la orice valoare, iar cealaltă valoare calculată prin ecuația prezentată în a doua fotografie. Pentru acest filtru, lui C i s-a atribuit o valoare de 1 µF și restul valorilor au fost găsite pe baza acelei valori. Valoarea condensatorului a fost decisă pe baza comodității. Tabelul din a doua fotografie afișează valorile 2R, R, 2C și C care au fost utilizate.

Cea de-a treia imagine pentru acest pas este circuitul final al filtrului de notch cu valori precise. Folosind acel circuit, analiza AC Sweep a fost efectuată folosind 5V. 5V corespunde tensiunii după amplificare. Restul parametrilor de analiză sunt aceiași cu ceea ce sa afirmat în etapa amplificatorului de instrumentație. Graficul de răspuns în frecvență este prezentat în fotografia finală. Folosind valorile și ecuațiile din a doua fotografie, frecvența reală pentru filtrul de notch este de 61,2 Hz. Valoarea dorită pentru filtrul de crestături a fost de 60 Hz. Folosind ecuația de eroare procentuală, există o eroare de 2% între filtrul simulat și filtrul teoretic. Aceasta este o cantitate acceptabilă de eroare.

Pasul 3: Pasul 3: Filtrul Low Pass

Ultimul tip de piesă utilizat în acest circuit este filtrul pasiv. Așa cum am menționat anterior, un filtru pasiv este un filtru care nu necesită o sursă de energie pentru a fi funcțional. Pentru un ECG, sunt necesare atât un filtru de trecere înaltă, cât și un filtru de trecere de jos pentru a elimina în mod corespunzător zgomotul din semnal. Primul tip de filtru pasiv care trebuie adăugat la circuit este un filtru trece jos. După cum sugerează și numele, acest lucru permite mai întâi să treacă semnalul sub frecvența de tăiere [7]. Pentru filtrul de trecere jos, frecvența de întrerupere ar trebui să fie limita superioară a intervalului de semnal. După cum sa menționat anterior, intervalul superior al semnalului ECG este de 150 Hz [2]. Prin setarea unei limite superioare, zgomotul de la alte semnale nu este utilizat în achiziționarea semnalului.

Ecuația pentru frecvența de tăiere este f = 1 / (2 * pi * R * C). Ca și în cazul componentelor circuitului anterior, valorile pentru R și C pot fi găsite prin conectarea frecvenței și setarea uneia dintre valorile componentelor [7]. Pentru filtrul trece jos, condensatorul a fost setat la 1 µF și frecvența de întrerupere dorită este de 150 Hz. Folosind ecuația frecvenței de tăiere, valoarea pentru componenta rezistorului este calculată la 1 kΩ. Prima imagine pentru acest pas este o schemă completă a filtrului trece jos.

Aceiași parametri definiți pentru filtrul de notch sunt utilizați pentru analiza AC Sweep a filtrului de trecere jos, prezentat în a doua imagine. Pentru această componentă, frecvența de întrerupere dorită este de 150Hz și folosind ecuația 3, frecvența de întrerupere simulată este de 159 Hz. Aceasta are o eroare procentuală de 6%. Eroarea procentuală pentru această componentă este mai mare decât cea preferată, dar componentele au fost alese pentru a facilita translația într-un circuit fizic. Acesta este în mod clar un filtru trece jos, bazat pe graficul de răspuns în frecvență din a doua imagine, deoarece doar semnalul de sub frecvența de întrerupere poate trece la 5 V și, pe măsură ce frecvența se apropie de frecvența de întrerupere, tensiunea scade.

Pasul 4: Pasul 4: Filtru de trecere mare

A doua componentă pasivă pentru circuitul ECG este filtrul de trecere înaltă. Un filtru de trecere înaltă este un filtru care permite trecerea oricărei frecvențe mai mari decât frecvența de tăiere. Pentru această componentă, frecvența de întrerupere va fi de 0,05 Hz. Din nou 0,05 Hz este capătul inferior al gamei de semnale ECG [2]. Chiar dacă valoarea este atât de mică, trebuie totuși să existe un filtru de trecere înaltă pentru a filtra orice tensiune compensată în semnal. Prin urmare, filtrul de trecere înaltă este încă necesar în proiectarea circuitului, chiar dacă frecvența de întrerupere este atât de mică.

Ecuația pentru frecvența de întrerupere este aceeași cu filtrul de întrerupere a trecerii joase, f = 1 / (2 * pi * R * C). Valoarea rezistorului a fost setată la 50 kΩ și frecvența de întrerupere dorită este de 0,05 Hz [8]. Folosind aceste informații, valoarea condensatorului a fost calculată la 63 µF. Prima imagine pentru acest pas este filtrul de trecere înaltă cu valorile corespunzătoare.

AC Sweep Analysis este al doilea filtru. La fel ca filtrul trece jos, pe măsură ce frecvența semnalului se apropie de frecvența de întrerupere, tensiunea de ieșire scade. Pentru filtrul de trecere înaltă, frecvența de întrerupere dorită este de 0,05 Hz, iar frecvența de întrerupere simulată este de 0,0505 Hz. Această valoare a fost calculată utilizând ecuația frecvenței de întrerupere a trecerii joase. Eroarea procentuală pentru această componentă este de 1%. Aceasta este o eroare procentuală acceptabilă.

Pasul 5: Pasul 5: Circuit complet

Întregul circuit este construit conectând în serie cele patru componente, amplificatorul de instrumentație, filtrul de notch, filtrul de trecere jos și filtrul de trecere înaltă. Schema completă a circuitului este prezentată în prima imagine pentru acest pas.

Răspunsul simulat prezentat în a doua figură acționează așa cum era de așteptat să se bazeze pe tipurile de componente utilizate pentru acest circuit. Circuitul proiectat filtrează zgomotul atât la limita inferioară, cât și la cea superioară a semnalului ECG, precum și filtrarea cu succes a zgomotului de la liniile de alimentare. Filtrul de trecere jos elimină cu succes semnalul sub frecvența de întrerupere. Așa cum se arată în graficul de răspuns în frecvență, la 0,01 Hz, semnalul este trecut la 1 V, o valoare care este de 5 ori mai mică decât ieșirea dorită. Pe măsură ce frecvența crește, tensiunea de ieșire crește, de asemenea, până la atingerea vârfurilor sale la 0,1 Hz. Vârful este în jur de 5 V, care este aliniat cu un câștig de 1000 pentru amplificatorul de instrumentație. Semnalul scade de la 5 V începând cu 10 Hz. Până când frecvența este de 60 Hz, nu mai există semnal emis de circuit. Acesta a fost scopul filtrului de crestături și a fost menit să contracareze interferențele liniilor electrice. După ce frecvența depășește 60 Hz, tensiunea începe din nou să crească odată cu frecvența. În cele din urmă, odată ce frecvența atinge 110 Hz, semnalul atinge un vârf secundar de aproximativ 2 V. De acolo, ieșirea scade din cauza filtrului de trecere joasă.

Pasul 6: Concluzie

Scopul acestei misiuni a fost de a simula un ECG automat capabil să înregistreze cu precizie ciclul cardiac. Pentru a face acest lucru, semnalul analogic care ar fi fost preluat de la un pacient trebuia amplificat și apoi filtrat pentru a include doar semnalul ECG. Acest lucru a fost realizat folosind mai întâi un amplificator de instrumentație pentru a crește magnitudinea semnalului de aproximativ 1000 de ori. Apoi, zgomotul liniilor electrice trebuia eliminat din semnal, precum și zgomotul de deasupra și dedesubtul intervalului de frecvență desemnat al unui ECG. Acest lucru a însemnat încorporarea unui filtru activ de notch, precum și a unor filtre pasive high și low pass. Chiar dacă produsul final pentru această atribuire a fost un circuit simulat, a existat încă o eroare acceptabilă, luând în considerare valorile standard pentru componentele rezistive și capacitive disponibile în mod normal. Peste tot sistemul a funcționat așa cum era de așteptat și ar putea fi tranziționat într-un circuit fizic destul de ușor.

Pasul 7: Resurse

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang și S.-H. Tan, „Istoria, punctele fierbinți și tendințele electrocardiogramei”, Journal of geriatric cardiology: JGC, Jul-2015. [Pe net]. Disponibil: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Accesat: 01-Dec-2020].

[2] L. G. Tereshchenko și M. E. Josephson, „Conținutul de frecvență și caracteristicile conducerii ventriculare”, Journal of electrocardiology, 2015. [Online]. Disponibil: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Accesat: 01-Dec-2020].

[3] „Amplificator diferențial - extractorul de tensiune”, tutoriale electronice de bază, 17 martie 2020. [Pe net]. Disponibil: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Accesat: 01-Dec-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan și P. Kinget, „ECG Measurement System”, Universitatea Columbia.

[5] S. Akwei-Sekyere, „Eliminarea zgomotului de linie electrică în semnale biomedicale prin separarea sursei oarbe și analiza de undă”, PeerJ, 02-iul-2015. [Pe net]. Disponibil: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Accesat: 01-Dec-2020].

[6] „Filtrele de oprire a benzii sunt numite filtre de respingere”, tutoriale electronice de bază, 29 iunie 2020. [Pe net]. Disponibil: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Accesat: 01-Dec-2020].

[7] „Low Pass Filter - Passive RC Filter Tutorial”, Tutoriale electronice de bază, 01-mai-2020. [Pe net]. Disponibil: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Accesat: 01-Dec-2020].

[8] „High Pass Filter - Passive RC Filter Tutorial”, Tutoriale electronice de bază, 05-mar-2019. [Pe net]. Disponibil: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Accesat: 01-Dec-2020].