Avtomatlashtirilgan EKG- BME 305 Yakuniy loyihasi Qo'shimcha kredit: 7 qadam

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:22

Elektrokardiogramma (EKG yoki EKG) yurak urishidan kelib chiqadigan elektr signallarini o'lchash uchun ishlatiladi va yurak -qon tomir kasalliklari diagnostikasi va prognozida katta rol o'ynaydi. EKGdan olingan ba'zi ma'lumotlar bemorning yurak urishi ritmini, shuningdek, zarba kuchini o'z ichiga oladi. Har bir EKG to'lqin shakli yurak tsiklining takrorlanishi natijasida hosil bo'ladi. Ma'lumotlar bemorning terisiga o'rnatilgan elektrod orqali yig'iladi. Keyin signal kuchaytiriladi va mavjud ma'lumotlarni to'g'ri tahlil qilish uchun shovqin filtrlanadi. To'plangan ma'lumotlardan foydalangan holda, tadqiqotchilar nafaqat yurak -qon tomir kasalliklarini tashxislay olishadi, balki EKG ham noaniq kasalliklarni tushunish va aniqlashda katta rol o'ynagan. EKGni joriy etish aritmiya va ishemiya kabi holatlarni davolashni ancha yaxshiladi [1].

Ta'minot:

Bu ko'rsatma virtual EKG qurilmasini simulyatsiya qilish uchun mo'ljallangan, shuning uchun bu tajribani o'tkazish uchun ishchi kompyuter kifoya qiladi. Quyidagi simulyatsiyalar uchun ishlatiladigan dastur LTspice XVII bo'lib, uni Internetdan yuklab olish mumkin.

1 -qadam: 1 -qadam: asboblar kuchaytirgichi

O'chirishning birinchi komponenti asboblar kuchaytirgichidir. Nomidan ko'rinib turibdiki, signal kuchini oshirish uchun asboblar kuchaytirgichi ishlatiladi. Kuchaytirilmagan yoki filtrlanmagan EKG signalining amplitudasi taxminan 5 mV. Signalni filtrlash uchun uni kuchaytirish kerak. Bioelektrik signalni to'g'ri filtrlash uchun, bu davr uchun o'rtacha daromad katta bo'lishi kerak. Shuning uchun, bu zanjirning daromadi taxminan 1000 bo'ladi. Asboblar kuchaytirgichining umumiy shakli bu qadam uchun tasvirlarga kiritilgan [2]. O'chirishning tenglamalariga qo'shimcha ravishda, har bir komponent uchun hisoblangan qiymatlar ikkinchi rasmda ko'rsatilgan [3].

Daromad manfiydir, chunki kuchlanish operatsion kuchaytirgichning teskari piniga beriladi. Ikkinchi rasmda ko'rsatilgan qiymatlar R1, R2, R3 qiymatlarini belgilash va kerakli qiymatlar sifatida olish va keyin R4 yakuniy qiymatini echish orqali topilgan. Bu qadamning uchinchi tasviri - aniq qiymatlar bilan to'ldirilgan LTspice -dagi simulyatsiya qilingan sxema.

Zanjirni ham butun, ham alohida komponentlar sifatida sinab ko'rish uchun o'zgaruvchan tok (AC) tahlilini o'tkazish kerak. Tahlilning bu shakli chastotalar o'zgarganda signalning kattaligiga qaraydi. Shuning uchun, AC tahlilini tahlil qilish turi o'n yil bo'lishi kerak, chunki u x o'qi miqyosini o'rnatadi va natijalarni aniq o'qish uchun qulayroqdir. O'n yilda 100 ta ma'lumot punkti bo'lishi kerak. Bu dasturni ortiqcha ishlamasdan, ma'lumotlarning tendentsiyalarini aniq etkazadi, samaradorlikni ta'minlaydi. Boshlanish va to'xtash chastotasi qiymatlari kesilgan chastotalarni ham o'z ichiga olishi kerak. Shuning uchun, oqilona boshlash chastotasi 0,01 Gts va oqilona to'xtash chastotasi 1 kHz. Asboblar kuchaytirgichi uchun kirish funktsiyasi 5 mV kattalikdagi sinus to'lqin hisoblanadi. 5 mV EKG signalining standart amplitudasiga mos keladi [4]. Sinus to'lqin EKG signalining o'zgaruvchan tomonlarini taqlid qiladi. Ushbu tahlil parametrlarining barchasi, kirish kuchlanishidan tashqari, har bir komponent uchun bir xil.

Yakuniy tasvir - asboblar kuchaytirgichi uchun chastotali javob chizig'i. Bu shuni ko'rsatadiki, asbob kuchaytirgichi kirish signalining kattaligini taxminan 1000 ga oshirishi mumkin. Asboblar kuchaytirgichi uchun kerakli daromad 1000 edi. Simulyatsiya qilingan asboblar kuchaytirgichining daromadi - 999,6, ikkinchi rasmda ko'rsatilgan tenglama yordamida topilgan. Istalgan daromad va eksperimental daromad o'rtasidagi xato xatosi 0,04%ni tashkil qiladi. Bu foiz xatolikning maqbul miqdori.

2 -qadam: 2 -qadam: chiziqli filtr

EKG sxemasida ishlatiladigan keyingi komponent - bu faol filtr. Faol filtr - bu ishlash uchun kuch talab qiladigan filtr. Ushbu topshiriq uchun eng yaxshi faol filtr - bu chiziqli filtr. Chiziqli filtr bitta chastotali yoki juda tor chastotali signalni olib tashlash uchun ishlatiladi. Ushbu sxemada, chiziqli filtr bilan olib tashlanadigan chastota 60 Gts ni tashkil qiladi. 60 Gts - bu elektr uzatish liniyalarining ishlash chastotasi va shuning uchun asboblar bilan katta shovqin manbai. Powerline shovqini biomedikal signallarni buzadi va ma'lumotlar sifatini pasaytiradi [5]. Ushbu zanjir uchun ishlatiladigan chiziqli filtrning umumiy shakli bu qadam uchun birinchi fotosuratda ko'rsatilgan. Chiziq filtrining faol komponenti biriktirilgan buferdir. Tampon filtrdan keyin signalni ajratish uchun ishlatiladi. Tampon filtrning bir qismi bo'lgani uchun va uning ishlashi uchun quvvat kerak bo'lgani uchun, chiziqli filtr bu sxemaning faol filtr komponenti hisoblanadi.

Chiziqli filtrning rezistiv va kondansatör komponentlari tenglamasi ikkinchi rasmda ko'rsatilgan [6]. Tenglamada, fN - olib tashlanishi kerak bo'lgan chastota, 60 Gts. Asboblar kuchaytirgichida bo'lgani kabi, rezistor yoki kondansatör qiymati har qanday qiymatga o'rnatilishi mumkin va boshqa qiymat ikkinchi rasmda ko'rsatilgan tenglama bilan hisoblanishi mumkin. Bu filtr uchun C ga 1 mF qiymat berilgan va qolgan qiymatlar shu qiymatga asoslanib topilgan. Kondensatorning qiymati qulaylik asosida aniqlandi. Ikkinchi rasmdagi jadvalda ishlatilgan 2R, R, 2C va C qiymatlari ko'rsatilgan.

Bu qadamning uchinchi tasviri - aniq qiymatlarga ega bo'lgan oxirgi chiziqli filtr davri. Ushbu sxemadan foydalanib, AC Sweep tahlil 5V yordamida amalga oshirildi. 5V kuchaytirilgandan keyingi kuchlanish bilan mos keladi. Qolgan tahlil parametrlari asboblarni kuchaytirgich bosqichida aytilganlar bilan bir xil. Chastotali javob chizig'i yakuniy fotosuratda ko'rsatilgan. Ikkinchi rasmdagi qiymatlar va tenglamalardan foydalanib, chiziq filtrining haqiqiy chastotasi 61,2 Gts ni tashkil qiladi. Chiziq filtri uchun kerakli qiymat 60 Gts edi. Xatolik tenglamasi yordamida simulyatsiya qilingan filtr va nazariy filtr o'rtasida 2% xato bo'ladi. Bu qabul qilinadigan xato miqdori.

3 -qadam: 3 -qadam: past o'tish filtri

Ushbu sxemada ishlatiladigan oxirgi qism - passiv filtr. Yuqorida aytib o'tilganidek, passiv filtr - bu ishlashi uchun quvvat manbasini talab qilmaydigan filtr. EKG uchun signaldan shovqinni to'g'ri olib tashlash uchun ham yuqori o'tish, ham past o'tish filtri kerak. Zanjirga qo'shiladigan birinchi turdagi passiv filtr past o'tkazgichli filtrdir. Nomidan ko'rinib turibdiki, bu birinchi navbatda uzilish chastotasi ostidagi signalni o'tkazishga imkon beradi [7]. Past o'tish filtri uchun kesish chastotasi signal diapazonining yuqori chegarasi bo'lishi kerak. Yuqorida aytib o'tilganidek, EKG signalining yuqori diapazoni 150 Gts [2]. Yuqori chegarani o'rnatgan holda, boshqa signallarning shovqini signal olishda ishlatilmaydi.

Kesish chastotasi uchun tenglama f = 1 / (2 * pi * R * C) dir. Oldingi elektron komponentlarda bo'lgani kabi, R va C qiymatlarini chastotani ulash va komponentlar qiymatlaridan birini o'rnatish orqali topish mumkin [7]. Past o'tkazgichli filtr uchun kondansatör 1 mF ga o'rnatildi va kerakli kesish chastotasi 150 Gts. Chiqib ketish chastotasi tenglamasi yordamida rezistor komponentining qiymati 1 kΩ ga hisoblanadi. Bu qadamning birinchi tasviri past o'tish filtrining to'liq sxemasi.

Chiziqli filtr uchun aniqlangan bir xil parametrlar ikkinchi rasmda ko'rsatilgan past o'tish filtrining o'zgaruvchan tokini tahlil qilish uchun ishlatiladi. Ushbu komponent uchun kerakli kesish chastotasi 150 Gts va 3 -tenglama yordamida simulyatsiya qilingan kesish chastotasi 159 Gts ni tashkil qiladi. Bu foiz xato 6%. Bu komponent uchun foiz xatosi afzal qilinganidan yuqori, lekin komponentlar jismoniy sxemaga tarjima qilish qulayligi uchun tanlangan. Bu aniq, ikkinchi tasvirdagi chastotali javob chizig'iga asoslangan past o'tish filtri, chunki faqat uzilish chastotasi ostidagi signal 5 V da o'tishi mumkin va chastota kesilgan chastotaga yaqinlashganda kuchlanish pasayadi.

4 -qadam: 4 -qadam: Yuqori o'tish filtri

EKG sxemasining ikkinchi passiv komponenti yuqori o'tkazuvchanlik filtridir. Yuqori o'tish filtri - bu kesish chastotasidan kattaroq har qanday chastotani o'tkazishga imkon beradigan filtr. Ushbu komponent uchun kesish chastotasi 0,05 Gts bo'ladi. Yana 0,05 Gts - bu EKG signallari diapazonining pastki uchi [2]. Qiymat juda kichik bo'lsa -da, signaldagi har qanday kuchlanish ofsetini filtrlash uchun hali ham yuqori o'tish filtri bo'lishi kerak. Shuning uchun, kesish chastotasi juda kichik bo'lsa -da, yuqori o'tkazuvchanlik filtri sxemaning dizaynida hali ham zarur.

Kesish chastotasining tenglamasi past o'tkazgichli filtr bilan bir xil, f = 1 / (2 * pi * R * C). Rezistor qiymati 50 kΩ ga o'rnatildi va kerakli kesish chastotasi 0,05 Gts [8]. Ushbu ma'lumotlardan foydalanib, kondansatör qiymati 63 mF ga hisoblab chiqilgan. Ushbu qadam uchun birinchi rasm - bu yuqori qiymatli filtr, tegishli qiymatlarga ega.

AC filtrini tahlil qilish ikkinchi filtrdir. Past o'tkazgichli filtr kabi, signal chastotasi kesilgan chastotaga yaqinlashganda, chiqish voltaji pasayadi. Yuqori o'tish filtri uchun kerakli kesish chastotasi 0,05 Gts va simulyatsiya qilingan kesish chastotasi 0,0505 Gts. Bu qiymat past o'tish chastotali tenglama yordamida hisoblab chiqilgan. Ushbu komponent uchun xatolik foizi 1%ni tashkil qiladi. Bu qabul qilinadigan foiz xato.

5 -qadam: 5 -qadam: To'liq davr

Butun sxema to'rt komponentni, asboblar kuchaytirgichini, chiziqli filtrni, past o'tish filtrini va yuqori o'tish filtrini ketma -ket ulash orqali quriladi. To'liq elektron sxemasi ushbu qadam uchun birinchi rasmda ko'rsatilgan.

Ikkinchi rasmda ko'rsatilgan simulyatsiya qilingan javob, bu sxemada ishlatiladigan komponentlar turiga asoslanadi. Dizayn EKG signalining pastki va yuqori chegaralaridagi shovqinlarni filtrlaydi, shuningdek elektr uzatish liniyalaridan shovqinni muvaffaqiyatli filtrlaydi. Past o'tish filtri uzilish chastotasi ostidagi signalni muvaffaqiyatli o'chiradi. 0,01 Gts chastotali javob chizig'ida ko'rsatilgandek, signal 1 V da uzatiladi, bu qiymat kerakli chiqishdan 5 baravar kam. Chastotani ko'payishi bilan chiqish voltaji 0,1 Gts da eng yuqori nuqtaga yetguncha oshadi. Cho'qqisi 5 V atrofida, bu asbob kuchaytirgichi uchun 1000 ga teng. Signal 5 G dan 10 Gts dan boshlanadi. 60 Gts chastotaga kelganda, kontaktlarning zanglashiga olib keladigan signal yo'q. Chiziqli filtrning maqsadi va uning elektr uzatish shovqinlariga qarshi turish edi. Chastotani 60 Gts dan oshib ketgandan so'ng, kuchlanish yana chastotali osha boshlaydi. Nihoyat, chastota 110 Gts ga yetganda, signal taxminan 2 V ga teng ikkinchi darajali cho'qqiga etadi. U erdan past o'tish filtri tufayli chiqish kamayadi.

6 -qadam: Xulosa

Bu topshiriqning maqsadi yurak tsiklini aniq qayd eta oladigan avtomatlashtirilgan EKGni simulyatsiya qilish edi. Buning uchun bemordan olinadigan analog signalni kuchaytirish kerak, so'ngra filtrlash faqat EKG signalini o'z ichiga oladi. Bu, birinchi navbatda, signal kuchini taxminan 1000 marta oshirish uchun asboblar kuchaytirgichi yordamida amalga oshirildi. Keyin elektr uzatish liniyalarining shovqinini signaldan, shuningdek EKGning belgilangan chastota diapazonidan yuqoridan va pastdan olib tashlash kerak edi. Bu passiv yuqori va past o'tish filtrlari bilan bir qatorda faol chiziqli filtrni ham o'z ichiga oladi. Ushbu topshiriqning yakuniy mahsuloti simulyatsiya qilingan sxema bo'lsa -da, odatda mavjud rezistiv va sig'imli komponentlar uchun standart qiymatlarni hisobga olgan holda, hali ham qabul qilinadigan xato bor edi. Umuman olganda, tizim kutilganidek bajarilgan va ularni osonlikcha jismoniy zanjirga o'tkazish mumkin.

7 -qadam: Resurslar

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, X. Yan, Z. Syu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Chjan, H.-B. Vang va S.-H. Tan, "Elektrokardiogrammaning tarixi, qaynoq nuqtalari va tendentsiyalari", Geriatrik kardiologiya jurnali: JGC, Iyul-2015. [Onlayn]. Mavjud: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Kirish: 01-Dekabr-2020].

[2] L. G. Tereshchenko va M. E. Jozefson, "Qorin bo'shlig'ining o'tkazuvchanligining chastotali tarkibi va xususiyatlari", Elektrokardiologiya jurnali, 2015. [Onlayn]. Mavjud: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Kirish: 01-Dekabr-2020].

[3] "Differentsial kuchaytirgich-kuchlanish chiqaruvchisi", elektronika bo'yicha asosiy darsliklar, 17-mart-2020 yil. [Onlayn]. Mavjud: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Kirish: 01-Dekabr-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan va P. Kinget, "EKG o'lchash tizimi", Kolumbiya universiteti.

[5] S. Akwei-Sekyere, "Ko'r manbalarini ajratish va to'lqinlarni tahlil qilish orqali biomedikal signallarda Powerline shovqinini yo'q qilish", PeerJ, 02-Iyul-2015. [Onlayn]. Mavjud: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Kirish: 01-Dekabr-2020].

[6] "Tarmoqli to'xtash filtrlari rad qilish filtrlari deb nomlanadi", Elektronika bo'yicha asosiy darsliklar, 29-iyun-2020 yil. [Onlayn]. Mavjud: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Kirish: 01-Dekabr-2020].

[7] "Past o'tkazgichli filtr-passiv RC filtri bo'yicha qo'llanma", elektronika bo'yicha asosiy darsliklar, 01-may-2020 yil. [Onlayn]. Mavjud: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Kirish: 01-Dekabr-2020].

[8] "Yuqori o'tish filtri-passiv RC filtri bo'yicha qo'llanma", elektronika bo'yicha asosiy darsliklar, 05-Mar-2019 yil. [Onlayn]. Mavjud: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Kirish: 01-Dekabr-2020].