Automatizovaný závěrečný projekt ECG-BME 305 Extra kredit: 7 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:18

Elektrokardiogram (EKG nebo EKG) se používá k měření elektrických signálů produkovaných tlukotem srdce a hraje velkou roli v diagnostice a prognóze kardiovaskulárních onemocnění. Některé z informací získaných z EKG zahrnují rytmus srdečních tepů pacienta a sílu rytmu. Každá křivka EKG je generována iterací srdečního cyklu. Data jsou shromažďována prostřednictvím elektrody umístěné na kůži pacienta. Signál je poté zesílen a šum je odfiltrován, aby bylo možné správně analyzovat přítomná data. Pomocí shromážděných údajů jsou vědci schopni nejen diagnostikovat kardiovaskulární onemocnění, ale EKG také hrálo velkou roli při zvyšování porozumění a rozpoznávání temnějších chorob. Implementace EKG výrazně zlepšila léčbu stavů, jako je arytmie a ischémie [1].

Zásoby:

Tento instruktáž je určen pro simulaci virtuálního zařízení EKG, a proto je k provedení tohoto experimentu zapotřebí pouze funkční počítač. Software použitý pro následující simulace je LTspice XVII a lze jej stáhnout z internetu.

Krok 1: Krok 1: Zesilovač instrumentace

První komponentou obvodu je přístrojový zesilovač. Jak naznačuje název, zesilovač instrumentace je používán ke zvýšení velikosti signálu. Signál EKG, který není zesilován ani filtrován, má amplitudu zhruba 5 mV. Aby bylo možné filtrovat signál, je třeba jej zesílit. Přiměřený zisk pro tento obvod by musel být velký, aby byl bioelektrický signál vhodně filtrován. Zisk tohoto obvodu bude tedy asi 1000. Obecná forma přístrojového zesilovače je obsažena v obrazech pro tento krok [2]. Na druhém obrázku [3] jsou navíc zobrazeny rovnice pro zisk obvodu, hodnoty, které byly vypočteny pro každou součástku [3].

Zisk je záporný, protože napětí je přiváděno na invertující pin operačního zesilovače. Hodnoty zobrazené na druhém obrázku byly nalezeny nastavením hodnot R1, R2, R3 a ziskem jako požadované hodnoty a poté řešením pro konečnou hodnotu R4. Třetím obrázkem pro tento krok je simulovaný obvod v LTspice, doplněný o přesné hodnoty.

Aby bylo možné otestovat obvod, jako celek i jako jednotlivé součásti, měla by být provedena analýza střídavého proudu (AC). Tato forma analýzy se zaměřuje na velikost signálu, jak se mění frekvence. Proto by typ analýzy rozmítání AC analýzy měl být deset let, protože nastavuje měřítko osy x a je vhodnější pro přesné čtení výsledků. Za deset let by mělo být 100 datových bodů. To bude přesně sdělovat trendy v datech bez přepracování programu, což zajistí účinnost. Hodnoty počáteční a konečné frekvence by měly zahrnovat obě mezní frekvence. Rozumná počáteční frekvence je tedy 0,01 Hz a rozumná zastavovací frekvence je 1 kHz. U přístrojového zesilovače je vstupní funkcí sinusová vlna o velikosti 5 mV. 5 mV odpovídá standardní amplitudě signálu EKG [4]. Sinusová vlna napodobuje měnící se aspekty signálu EKG. Všechna tato nastavení analýzy, kromě vstupního napětí, jsou pro každou součást stejná.

Konečný obrázek je graf frekvenční odezvy pro přístrojový zesilovač. To ukazuje, že přístrojový zesilovač je schopen zvýšit velikost vstupního signálu asi o 1000. Požadovaný zisk pro přístrojový zesilovač byl 1 000. Zisk simulovaného přístrojového zesilovače je 999,6, zjištěný pomocí rovnice uvedené na druhé fotografii. Procentní chyba mezi požadovaným ziskem a experimentálním ziskem je 0,04%. To je přijatelné množství procentní chyby.

Krok 2: Krok 2: Zářezový filtr

Další složkou použitou v obvodu EKG je aktivní filtr. Aktivní filtr je pouze filtr, který ke své funkci vyžaduje napájení. Pro toto přiřazení je nejlepším aktivním filtrem, který se má použít, zářezový filtr. Zářezový filtr se používá k odstranění signálu na jedné frekvenci nebo velmi úzkém rozsahu frekvencí. V případě tohoto obvodu je frekvence, která má být odstraněna pomocí zářezového filtru, 60 Hz. 60 Hz je frekvence, na které elektrické vedení pracuje, a proto je u zařízení velkým zdrojem hluku. Šum elektrické sítě zkresluje biomedicínské signály a snižuje kvalitu dat [5]. Obecný tvar zářezového filtru použitého pro tento obvod je uveden na první fotografii pro tento krok. Aktivní složkou zářezového filtru je připojená vyrovnávací paměť. Vyrovnávací paměť se používá k izolaci signálu po zářezovém filtru. Protože je vyrovnávací paměť součástí filtru a ke svému provozu potřebuje energii, je zářezový filtr aktivní filtrační součástí tohoto obvodu.

Rovnice pro odporovou a kondenzátorovou součást zářezového filtru je uvedena na druhé fotografii [6]. V rovnici je fN frekvence, která má být odstraněna, což je 60 Hz. Stejně jako zesilovač přístrojového vybavení lze hodnotu odporu nebo kondenzátoru nastavit na libovolnou hodnotu a druhou hodnotu vypočítat podle rovnice uvedené na druhé fotografii. Pro tento filtr byla C přiřazena hodnota 1 uF a zbývající hodnoty byly nalezeny na základě této hodnoty. O hodnotě kondenzátoru bylo rozhodnuto na základě pohodlí. Tabulka na druhé fotografii zobrazuje hodnoty 2R, R, 2C a C, které byly použity.

Třetím obrázkem pro tento krok je konečný obvod zářezového filtru s přesnými hodnotami. Pomocí tohoto obvodu byla spuštěna analýza AC Sweep pomocí 5V. 5V odpovídá napětí po zesílení. Zbývající parametry analýzy jsou stejné jako to, co bylo uvedeno v kroku zesilovače instrumentace. Graf frekvenční odezvy je uveden na závěrečné fotografii. Při použití hodnot a rovnic na druhé fotografii je skutečná frekvence pro zářezový filtr 61,2 Hz. Požadovaná hodnota pro zářezový filtr byla 60 Hz. Pomocí rovnice procentuální chyby je 2% chyba mezi simulovaným filtrem a teoretickým filtrem. To je přijatelné množství chyb.

Krok 3: Krok 3: Nízkopásmový filtr

Posledním typem dílu použitého v tomto obvodu je pasivní filtr. Jak již bylo zmíněno, pasivní filtr je filtr, který ke svému provozu nevyžaduje zdroj energie. U EKG je k řádnému odstranění šumu ze signálu potřeba horní a dolní propust. První typ pasivního filtru, který má být přidán do obvodu, je dolní propust. Jak název napovídá, toto nejprve umožňuje průchod signálu pod mezní frekvencí [7]. Pro dolní propust by mezní frekvence měla být horní mezí rozsahu signálu. Jak již bylo zmíněno, horní rozsah signálu EKG je 150 Hz [2]. Nastavením horní hranice se při získávání signálu nepoužívá šum z jiných signálů.

Rovnice pro mezní frekvenci je f = 1 / (2 * pi * R * C). Stejně jako u předchozích obvodových komponent lze hodnoty pro R a C zjistit zapojením frekvence a nastavením jedné z hodnot komponent [7]. Pro dolní propust byl kondenzátor nastaven na 1 µF a požadovaná mezní frekvence je 150 Hz. Pomocí rovnice mezní frekvence se vypočítá hodnota odporové složky 1 kΩ. První obrázek pro tento krok je kompletní schéma dolní propusti.

Stejné parametry definované pro zářezový filtr se používají pro analýzu nízkého průchodu AC Sweep, znázorněnou na druhém obrázku. Pro tuto součást je požadovaná mezní frekvence 150 Hz a při použití rovnice 3 je simulovaná mezní frekvence 159 Hz. To má procentní chybu 6%. Procentní chyba pro tuto součást je vyšší, než je upřednostňováno, ale komponenty byly vybrány pro snadný překlad do fyzického obvodu. Jedná se zjevně o nízkoprůchodový filtr, založený na grafu frekvenční odezvy na druhém obrázku, protože při 5 V je schopen procházet pouze signál pod mezní frekvencí, a jak se frekvence blíží mezní frekvenci, napětí klesá.

Krok 4: Krok 4: High Pass Filter

Druhou pasivní složkou pro obvod EKG je horní propust. Vysokopásmový filtr je filtr, který umožňuje procházet jakoukoli frekvencí vyšší než mezní frekvence. Pro tuto součást bude mezní frekvence 0,05 Hz. Opět 0,05 Hz je dolní konec rozsahu signálů EKG [2]. I když je hodnota tak malá, stále musí existovat horní propust, aby bylo možné odfiltrovat jakýkoli posun napětí v signálu. Proto je v návrhu obvodu stále nutný horní propust, přestože mezní frekvence je tak malá.

Rovnice pro mezní frekvenci je stejná jako dolní mezní filtr, f = 1 / (2 * pi * R * C). Hodnota odporu byla nastavena na 50 kΩ a požadovaná mezní frekvence je 0,05 Hz [8]. Pomocí těchto informací byla hodnota kondenzátoru vypočítána na 63 µF. Prvním obrázkem pro tento krok je horní propust s příslušnými hodnotami.

Druhým filtrem je AC Sweep Analysis. Stejně jako dolní propust, jak se frekvence signálu blíží mezní frekvenci, výstupní napětí klesá. Pro horní propust je požadovaná mezní frekvence 0,05 Hz a simulovaná mezní frekvence 0,0505 Hz. Tato hodnota byla vypočtena pomocí rovnice dolní mezní frekvence. Procentní chyba této komponenty je 1%. To je přijatelná procentní chyba.

Krok 5: Krok 5: Plný obvod

Celý obvod je konstruován zapojením čtyř komponent, zesilovače přístrojů, zářezového filtru, dolního průchodu a horního průchodu, do série. Úplné schéma zapojení je zobrazeno na prvním obrázku pro tento krok.

Simulovaná odezva zobrazená na druhém obrázku funguje tak, jak se očekávalo, že bude vycházet z typů komponent použitých pro tento obvod. Obvod, který je navržen, filtruje šum na dolních i horních mezích signálu EKG a také úspěšně filtruje hluk z elektrických vedení. Nízkoprůchodový filtr úspěšně odstraní signál pod mezní frekvencí. Jak je znázorněno na grafu frekvenční odezvy, při 0,01 Hz prochází signál 1 V, což je hodnota, která je 5krát menší než požadovaný výstup. Jak se frekvence zvyšuje, zvyšuje se také výstupní napětí, dokud nedosáhne svých špiček při 0,1 Hz. Špička je kolem 5 V, což je zarovnáno se ziskem 1000 pro zesilovač instrumentace. Signál klesá od 5 V počínaje 10 Hz. V době, kdy je frekvence 60 Hz, již obvod nevydává žádný signál. To byl účel zářezového filtru a měl zamezit rušení elektrického vedení. Poté, co kmitočet překročí 60 Hz, začne napětí s frekvencí opět narůstat. Nakonec, jakmile frekvence dosáhne 110 Hz, signál dosáhne jako sekundární vrchol zhruba 2 V. Odtud se výstup snižuje kvůli dolnímu propusti.

Krok 6: Závěr

Účelem tohoto úkolu bylo simulovat automatizované EKG schopné přesně zaznamenat srdeční cyklus. Aby to bylo možné provést, analogový signál, který by byl odebrán od pacienta, musel být zesílen a poté filtrován tak, aby zahrnoval pouze signál EKG. Toho bylo dosaženo nejprve pomocí přístrojového zesilovače ke zvýšení velikosti signálu zhruba 1000krát. Poté bylo třeba ze signálu odstranit šum napájecích vedení a také šum nad a pod určeným frekvenčním rozsahem EKG. To znamenalo začlenění aktivního zářezového filtru i pasivních horních a dolních filtrů. Přestože konečným produktem pro toto přiřazení byl simulovaný obvod, stále zde byla přijatelná chyba, s přihlédnutím ke standardním hodnotám běžně dostupných odporových a kapacitních součástek. Celý systém fungoval podle očekávání a mohl by být poměrně snadno převeden do fyzického obvodu.

Krok 7: Zdroje

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang a S.-H. Tan, „Historie, hotspoty a trendy elektrokardiogramu“, Journal of geriatric cardiology: JGC, Jul-2015. [Online]. K dispozici: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Přístup: 01-Dec-2020].

[2] L. G. Tereshchenko a M. E. Josephson, „Frekvenční obsah a charakteristiky komorového vedení“, Journal of electrocardiology, 2015. [Online]. K dispozici: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Přístup: 01-Dec-2020].

[3] „Diferenciální zesilovač-odčítač napětí“, návody pro základní elektroniku, 17. března 2020. [Online]. K dispozici: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Přístup: 01-Dec-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan a P. Kinget, „Systém měření EKG“, Columbia University.

[5] S. Akwei-Sekyere, „Eliminace šumu elektrického vedení v biomedicínských signálech separací slepého zdroje a vlnovou analýzou“, PeerJ, 2. července 2015. [Online]. K dispozici: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Přístup: 01-Dec-2020].

[6] „Filtry pro zastavení pásma se nazývají filtry pro odmítnutí“, Základní návody pro elektroniku, 29. června 2020. [Online]. K dispozici: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Přístup: 01-Dec-2020].

[7] „Low Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial,“Basic Electronics Tutorials, 01-May-2020. [Online]. K dispozici: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Přístup: 01-Dec-2020].

[8] „High Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial,“Basic Electronics Tutorials, 05-Mar-2019. [Online]. K dispozici: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Přístup: 01-Dec-2020].