Awtomatikong ECG- BME 305 Final Project Extra Credit: 7 Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:10

Ginagamit ang isang electrocardiogram (ECG o EKG) upang masukat ang mga signal ng kuryente na ginawa ng isang tumatibok na puso at ito ay may malaking papel sa pag-diagnose at pagbabala ng sakit sa puso. Ang ilan sa impormasyong nakuha mula sa isang ECG ay may kasamang ritmo ng mga tibok ng puso ng pasyente pati na rin ang lakas ng pintig. Ang bawat ECG waveform ay nabuo sa pamamagitan ng isang pag-ulit ng pag-ikot ng puso. Ang data ay nakolekta sa pamamagitan ng electrode na nakalagay sa balat ng pasyente. Pagkatapos ay pinalakas ang signal at ang ingay ay nasala upang maayos na masuri ang kasalukuyang data. Ang paggamit ng data na nakolekta na mga mananaliksik ay hindi lamang masuri ang mga sakit sa puso, ngunit ang ECG ay may malaking papel din sa pagdaragdag ng pag-unawa at pagkilala sa mga mas nakakubli na sakit. Ang pagpapatupad ng ECG ay napabuti ang paggamot ng mga kundisyon tulad ng arrhythmia at ischemia [1].

Mga Pantustos:

Ang Instructable na ito ay para sa simulate ng isang virtual na ECG aparato at samakatuwid ang lahat ng kinakailangan upang maisagawa ang eksperimentong ito ay isang gumaganang computer. Ang software na ginamit sa mga sumusunod na simulation ay LTspice XVII at maaari itong ma-download mula sa internet.

Hakbang 1: Hakbang 1: Amplifier ng Instrumentation

Ang unang bahagi ng circuit ay isang amplifier ng kagamitan. Tulad ng ipinahihiwatig ng pangalan, ginagamit ang amplifier ng instrumentation na dagdagan ang lakas ng signal. Ang isang senyas ng ECG na hindi pinalaki o na-filter ay halos 5 mV sa amplitude. Upang ma-filter ang signal, kailangan itong palakasin. Ang isang makatuwirang pakinabang para sa circuit na ito ay dapat na malaki upang ang bioelectrical signal ay ma-filter nang naaangkop. Samakatuwid, ang nakakuha ng circuit na ito ay magiging tungkol sa 1000. Ang pangkalahatang anyo ng isang amplifier ng instrumento ay kasama sa mga imahe para sa hakbang na ito [2]. Bilang karagdagan ang mga equation para sa pagkakaroon ng circuit, ang mga halagang kinakalkula para sa bawat bahagi ay ipinapakita sa pangalawang imahe [3].

Negatibo ang nakuha sapagkat ang boltahe ay ibinibigay sa inverting pin ng pagpapatakbo na amplifier. Ang mga halagang ipinakita sa pangalawang imahe ay natagpuan sa pamamagitan ng pagtatakda ng mga halaga ng R1, R2, R3, at makakuha ng nais na mga halaga at pagkatapos ay paglutas para sa huling halaga na R4. Ang pangatlong imahe para sa hakbang na ito ay ang simulate circuit sa LTspice, kumpleto sa tumpak na mga halaga.

Upang masubukan ang circuit, kapwa bilang isang buo at bilang mga indibidwal na bahagi, dapat patakbuhin ang isang alternating kasalukuyang (AC) na pagtatasa. Ang form ng pagtatasa na ito ay tumingin sa laki ng signal habang nagbabago ang mga frequency. Samakatuwid, ang uri ng pagsusuri ng pag-aalis ng pag-aalis ng AC ay dapat na isang dekada dahil itinakda nito ang pag-scale ng x-axis at mas kaaya-aya para sa tumpak na pagbabasa ng mga resulta. Bawat isang dekada, dapat mayroong 100 mga puntos ng data. Ito ay tumpak na ihahatid ang mga kalakaran sa data nang hindi labis na pagpapatakbo ng programa, tinitiyak ang kahusayan. Ang mga halaga ng pagsisimula at paghinto ng dalas ay dapat na sumaklaw sa parehong pinutol na mga frequency. Samakatuwid, ang isang makatwirang dalas ng pagsisimula ay 0.01 Hz at ang isang makatwirang dalas ng paghinto ay 1kHz. Para sa amplifier ng kagamitan, ang pag-andar ng pag-input ay isang alon ng sine na may lakas na 5 mV. Ang 5 mV ay tumutugma sa karaniwang amplitude ng isang senyas ng ECG [4]. Ginagaya ng isang alon ng sine ang pagbabago ng mga aspeto ng isang senyas ng ECG. Ang lahat ng mga setting ng pagtatasa na ito, maliban sa input boltahe, ay pareho para sa bawat bahagi.

Ang pangwakas na imahe ay ang balangkas ng tugon ng dalas para sa amplifier ng instrumento. Ipinapakita nito na ang instrumentation amplifier ay maaaring dagdagan ang laki ng input signal ng tungkol sa 1000. Ang nais na pakinabang para sa amplifier ng instrumentation ay 1000. Ang nakuha ng simulate na instrumentation amplifier ay 999.6, natagpuan gamit ang equation na ipinakita sa pangalawang larawan. Ang porsyento na error sa pagitan ng ninanais na makakuha at pang-eksperimentong pakinabang ay 0.04%. Ito ay isang katanggap-tanggap na halaga ng porsyento ng error.

Hakbang 2: Hakbang 2: Pagsala ng Notch

Ang susunod na sangkap na ginamit sa circuit ng ECG ay isang aktibong filter. Ang isang aktibong filter ay isang filter lamang na nangangailangan ng lakas upang gumana. Para sa takdang-aralin na ito, ang pinakamahusay na aktibong filter na gagamitin ay isang notch filter. Ginagamit ang isang filter ng bingaw upang alisin ang signal sa isang solong dalas o isang napaka-makitid na saklaw ng mga frequency. Sa kaso ng circuit na ito, ang dalas na aalisin gamit ang isang notch filter ay 60 Hz. Ang 60 Hz ay ang dalas na gumana ang mga powerline at samakatuwid ay isang malaking mapagkukunan ng ingay sa mga aparato. Ang ingay ng Powerline ay nagpapangit ng mga biomedical signal at bawasan ang kalidad ng data [5]. Ang pangkalahatang anyo ng filter ng bingaw na ginamit para sa circuit na ito ay ipinapakita sa unang larawan para sa hakbang na ito. Ang aktibong bahagi ng filter ng bingaw ay ang buffer na nakakabit. Ginagamit ang buffer upang ihiwalay ang signal pagkatapos ng notch filter. Dahil ang buffer ay bahagi ng filter at kailangan nito ng lakas upang gumana, ang notch filter ay ang aktibong sangkap ng filter ng circuit na ito.

Ang equation para sa resistive at capacitor na mga bahagi ng notch filter ay ipinapakita sa pangalawang larawan [6]. Sa equation, fN ang dalas na aalisin, na 60 Hz. Tulad ng amplifier ng kagamitan, alinman sa halaga ng risistor o capacitor ay maaaring itakda sa anumang halaga at ang iba pang halaga na kinakalkula ng equation na ipinakita sa pangalawang larawan. Para sa filter na ito, ang C ay naatasan ng halagang 1 µF at ang natitirang mga halaga ay natagpuan batay sa halagang iyon. Ang halaga ng capacitor ay napagpasyahan batay sa kaginhawaan. Ipinapakita ng talahanayan sa pangalawang larawan ang mga halaga ng 2R, R, 2C, at C na ginamit.

Ang pangatlong imahen para sa hakbang na ito ay ang pangwakas na circuit ng notch filter na may tumpak na mga halaga. Gamit ang circuit na iyon, ang pagtatasa ng AC Sweep ay pinatakbo gamit ang 5V. Ang 5V ay tumutugma sa boltahe pagkatapos ng paglaki. Ang natitirang mga parameter ng pagtatasa ay pareho sa kung ano ang nakasaad sa hakbang ng amplifier ng instrumento. Ang balangkas ng tugon sa dalas ay ipinapakita sa huling larawan. Gamit ang mga halaga at equation sa pangalawang larawan, ang aktwal na dalas para sa filter ng bingaw ay 61.2 Hz. Ang nais na halaga para sa filter ng bingaw ay 60 Hz. Gamit ang porsyento ng equation error, mayroong isang 2% error sa pagitan ng simulate na filter at theoretical filter. Ito ay isang katanggap-tanggap na halaga ng error.

Hakbang 3: Hakbang 3: Mababang Pass Filter

Ang huling uri ng bahaging ginamit sa circuit na ito ay ang passive filter. Tulad ng naunang nabanggit, ang isang passive filter ay isang filter na hindi nangangailangan ng isang mapagkukunan ng kuryente upang maging pagpapatakbo. Para sa isang ECG, kinakailangan ang parehong isang mataas na pass at isang mababang pass filter upang maayos na alisin ang ingay mula sa signal. Ang unang uri ng passive filter na maidaragdag sa circuit ay isang mababang pass filter. Tulad ng iminungkahi ng pangalan, pinapayagan nito ang signal sa ibaba ng dalas ng cutoff upang pumasa [7]. Para sa low pass filter, ang cut off frequency ay dapat na itaas na limitasyon ng saklaw ng signal. Tulad ng naunang nabanggit, ang pang-itaas na saklaw ng signal ng ECG ay 150 Hz [2]. Sa pamamagitan ng pagtatakda ng isang itaas na limitasyon, ang ingay mula sa iba pang mga signal ay hindi ginagamit sa pagkuha ng signal.

Ang equation para sa cut off frequency ay f = 1 / (2 * pi * R * C). Tulad ng nakaraang mga bahagi ng circuit, ang mga halaga para sa R at C ay matatagpuan sa pamamagitan ng pag-plug sa dalas at pagtatakda ng isa sa mga halaga ng sangkap [7]. Para sa low pass filter, ang capacitor ay itinakda ng 1 µF at ang nais na cut off frequency ay 150 Hz. Gamit ang cut-off na equation ng dalas, ang halaga para sa sangkap ng risistor ay kinakalkula na 1 kΩ. Ang unang imahe para sa hakbang na ito ay isang kumpletong iskemang low pass filter.

Ang parehong mga parameter na tinukoy para sa filter ng bingaw ay ginagamit para sa Pagtatasa ng AC Sweep ng mababang pass filter, na ipinakita sa pangalawang imahe. Para sa sangkap na ito, ang nais na dalas ng cutoff ay 150Hz at gumagamit ng Equation 3, ang simulate na cut off frequency ay 159 Hz. Mayroon itong porsyento na error na 6%. Ang porsyento na error para sa sangkap na ito ay mas mataas kaysa sa ginugusto ngunit ang mga sangkap ay pinili para sa kadalian ng pagsasalin sa isang pisikal na circuit. Ito ay malinaw na isang mababang pumasa sa filter, batay sa balangkas ng tugon ng dalas sa pangalawang imahe, dahil ang signal lamang sa ibaba ng dalas ng cutoff ay maaaring pumasa sa 5 V, at habang papalapit ang dalas sa cut off frequency, bumababa ang boltahe.

Hakbang 4: Hakbang 4: Mataas na Filter ng Pass

Ang pangalawang bahagi ng passive para sa ECG circuit ay ang high pass filter. Ang isang high pass filter ay isang filter na nagpapahintulot sa anumang dalas na mas malaki kaysa sa dalas ng cutoff na dumaan. Para sa sangkap na ito, ang dalas ng cutoff ay 0.05 Hz. Sa sandaling muli ang 0.05 Hz ay ang mas mababang dulo ng saklaw ng mga signal ng ECG [2]. Kahit na napakaliit ng halaga, kailangan pa ring maging isang high pass filter upang ma-filter ang anumang boltahe na offset sa signal. Samakatuwid, ang mataas na filter ng pass ay kinakailangan pa rin sa loob ng disenyo ng circuit, kahit na napakaliit ng dalas ng cutoff.

Ang equation para sa dalas ng cutoff ay kapareho ng mababang pass cut cut filter, f = 1 / (2 * pi * R * C). Ang halaga ng risistor ay itinakda sa 50 kΩ at ang nais na cut off frequency ay 0.05 Hz [8]. Gamit ang impormasyong iyon, ang halaga ng capacitor ay kinakalkula sa 63 µF. Ang unang imahe para sa hakbang na ito ay ang high pass filter na may naaangkop na mga halaga.

Ang Pagsusuri ng AC Sweep ay ang pangalawang filter. Tulad ng low pass filter, habang papalapit ang dalas ng signal sa cut off frequency, bumababa ang boltahe ng output. Para sa high pass filter, ang nais na cut off frequency ay 0.05 Hz at ang simulate na frequency ng cutoff ay 0.0505 Hz. Ang halagang ito ay kinakalkula gamit ang mababang pass cut off na equation ng dalas. Ang porsyento na error para sa sangkap na ito ay 1%. Ito ay isang katanggap-tanggap na porsyento na error.

Hakbang 5: Hakbang 5: Buong Circuit

Ang buong circuit ay itinayo sa pamamagitan ng pagkonekta sa apat na bahagi, ang instrumentation amplifier, ang notch filter, ang low pass filter, at ang high pass filter, sa serye. Ang buong diagram ng circuit ay ipinapakita sa unang imahe para sa hakbang na ito.

Ang simulate na tugon na ipinakita sa pangalawang pigura ay kumikilos tulad ng inaasahan na ibatay sa mga uri ng mga sangkap na ginamit para sa circuit na ito. Ang circuit na idinisenyo ay sinasala ang ingay sa parehong mas mababa at itaas na mga limitasyon ng ECG signal pati na rin matagumpay na nasala ang ingay mula sa mga powerline. Matagumpay na natanggal ng low pass filter ang signal sa ibaba ng cut off frequency. Tulad ng ipinakita sa Frequency response plot, sa 0.01 Hz, ang signal ay naipasa sa 1 V, isang halaga na 5 beses na mas mababa kaysa sa nais na output. Tulad ng pagdaragdag ng dalas ng output boltahe ay nagdaragdag din hanggang sa maabot ang mga tuktok nito sa 0.1 Hz. Ang rurok ay nasa paligid ng 5 V, na nakahanay sa pagkakaroon ng 1000 para sa amplifier ng instrumento. Ang signal ay bumababa mula sa 5 V simula sa 10 Hz. Sa oras na ang dalas ay 60 Hz, walang signal na na-output ng circuit. Ito ang layunin ng filter ng bingaw at ang ibig sabihin nito upang mapigilan ang pagkagambala ng mga linya ng kuryente. Matapos malampasan ng dalas ang 60 Hz, ang boltahe ay muling nagsimulang tumaas sa dalas. Sa wakas, sa sandaling umabot ang dalas sa 110 Hz ang signal ay umabot bilang pangalawang rurok ng halos 2 V. Mula doon, bumababa ang output dahil sa mababang pass filter.

Hakbang 6: Konklusyon

Ang layunin ng takdang-aralin na ito ay upang gayahin ang isang awtomatikong ECG na may kakayahang tumpak na pagtatala ng siklo ng puso. Upang magawa ito, ang analog signal na kukunin mula sa isang pasyente ay kailangang palakasin at pagkatapos ay i-filter upang isama lamang ang ECG signal. Natapos ito sa pamamagitan ng unang paggamit ng isang instrumentation amplifier upang madagdagan ang lakas ng signal ng halos 1000 beses. Pagkatapos ang ingay ng mga powerline ay kinakailangan na alisin mula sa signal pati na rin ang ingay mula sa itaas at sa ibaba ng itinalagang saklaw ng dalas ng isang ECG. Nangangahulugan ito na pagsasama ng isang aktibong filter ng bingaw pati na rin ang passive high at low pass filters. Kahit na ang pangwakas na produkto para sa takdang-aralin na ito ay isang kunwa circuit, mayroon pa ring ilang katanggap-tanggap na error, isinasaalang-alang ang mga pamantayang halaga para sa resistive at capacitive na mga sangkap na karaniwang magagamit. Sa paglipas ng lahat ng system na ginanap tulad ng inaasahan at maaaring mailipat sa isang pisikal na circuit sa halip madali.

Hakbang 7: Mga Mapagkukunan

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang, at S.-H. Tan, "Ang kasaysayan, mga hotspot, at mga trend ng electrocardiogram," Journal of geriatric cardiology: JGC, Hul-2015. [Online]. Magagamit: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Na-access: 01-Dis-2020].

[2] L. G. Tereshchenko at M. E. Josephson, "Dalas ng nilalaman at mga katangian ng ventricular conduction," Journal of electrocardiology, 2015. [Online]. Magagamit: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Na-access: 01-Dis-2020].

[3] "Differential Amplifier - The Voltage Subtractor," Pangunahing Mga Tutorial sa Elektronika, 17-Mar-2020. [Online]. Magagamit: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Na-access: 01-Dis-2020].

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

[5] S. Akwei-Sekyere, "Ang pag-aalis ng ingay ng Powerline sa mga signal ng biomedical sa pamamagitan ng paghihiwalay ng bulag na mapagkukunan at pagtatasa ng wavelet," PeerJ, 02-Hul-2015. [Online]. Magagamit: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Na-access: 01-Dis-2020].

[6] Ang "Mga Band Stop Filter ay tinatawag na Reject Filter," Basic Electronics Tutorials, 29-Hun-2020. [Online]. Magagamit: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Na-access: 01-Dis-2020].

[7] "Low Pass Filter - Passive RC Filter Tutorial," Pangunahing Mga Tutorial sa Elektronika, 01-Mayo-2020. [Online]. Magagamit: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Na-access: 01-Dis-2020].

[8] "High Pass Filter - Passive RC Filter Tutorial," Pangunahing Mga Tutorial sa Elektronika, 05-Mar-2019. [Online]. Magagamit: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Na-access: 01-Dis-2020].