Автоматтандырылған ЭКГ- BME 305 Қорытынды жоба Қосымша несие: 7 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:22

Электрокардиограмма (ЭКГ немесе ЭКГ) соғып тұрған жүрек шығаратын электрлік сигналдарды өлшеу үшін қолданылады және жүрек -қан тамырлары ауруларының диагностикасы мен болжамында үлкен рөл атқарады. ЭКГ -дан алынған кейбір ақпарат пациенттің жүрек соғу ырғағын, сондай -ақ соққының күшін қамтиды. Әрбір ЭКГ толқындық формасы жүрек циклінің қайталануымен жасалады. Деректер науқастың терісіне қойылған электрод арқылы жиналады. Содан кейін сигнал күшейтіледі және бар деректерді дұрыс талдау үшін шу сүзіледі. Жиналған деректерді пайдалана отырып, зерттеушілер жүрек -қан тамырлары ауруларын диагностикалап қана қоймайды, сонымен қатар ЭКГ түсініксіз ауруларды түсіну мен тануда үлкен рөл атқарады. ЭКГ енгізу аритмия мен ишемия сияқты жағдайларды емдеуді едәуір жақсартты [1].

Жабдықтар:

Бұл нұсқаулық виртуалды ЭКГ құрылғысын имитациялауға арналған, сондықтан бұл экспериментті жүргізу үшін тек жұмыс істейтін компьютер қажет. Келесі модельдеуге қолданылатын бағдарламалық жасақтама LTspice XVII болып табылады және оны интернеттен жүктеуге болады.

1 -қадам: 1 -қадам: аспаптық күшейткіш

Схеманың бірінші компоненті - аспаптық күшейткіш. Атауынан көрініп тұрғандай, сигнал күшін ұлғайту үшін аспаптық күшейткіш қолданылады. Күшейтілмеген немесе сүзілмеген ЭКГ сигналы амплитудада шамамен 5 мВ құрайды. Сигналды сүзу үшін оны күшейту қажет. Биоэлектрлік сигналды тиісті түрде сүзу үшін бұл тізбектің ақылға қонымды пайдасы үлкен болуы керек. Демек, бұл схеманың пайдасы шамамен 1000 болады. Аспаптық күшейткіштің жалпы формасы осы қадамға арналған суреттерге енгізілген [2]. Тізбектің пайда болуының теңдеулері, әр компонент үшін есептелген мәндер екінші суретте көрсетілген [3].

Күшейткіш теріс, себебі кернеу жұмыс күшейткішінің инвертті штырына беріледі. Екінші суретте көрсетілген мәндер R1, R2, R3 мәндерін орнатып, қалаған мәндер ретінде алу арқылы табылды, содан кейін R4 соңғы мәнін шешу арқылы табылды. Бұл қадамның үшінші бейнесі - дәл мәндермен толықтырылған LTspice бағдарламасындағы модельделген схема.

Тізбекті тұтастай және жеке компоненттер ретінде сынау үшін айнымалы ток (АТ) талдауын жүргізу қажет. Талдаудың бұл түрі жиіліктің өзгеруіне қарай сигналдың шамасына қарайды. Сондықтан, айнымалы токты талдаудың талдау түрі онжылдық болуы керек, себебі ол x осінің масштабын орнатады және нәтижелерді дәл оқуға қолайлы. Онжылдықта 100 деректер нүктесі болуы керек. Бұл тиімділікті қамтамасыз ете отырып, бағдарламада шамадан тыс жұмыс жасамай -ақ деректердегі үрдістерді дәл жеткізуге мүмкіндік береді. Бастау және тоқтату жиілігінің мәндері үзілген жиіліктердің екеуін де қамтуы тиіс. Демек, ақылға қонымды іске қосу жиілігі - 0,01 Гц, ал ақылға қонымды тоқтау жиілігі - 1 кГц. Аспаптық күшейткіш үшін кіріс функциясы 5 мВ шамасындағы синусоид болып табылады. 5 мВ ЭКГ сигналының стандартты амплитудасына сәйкес келеді [4]. Синусоидалық толқын ЭКГ сигналының өзгеретін жақтарын имитациялайды. Бұл талдаудың барлық параметрлері, кіріс кернеуін қоспағанда, әр компонент үшін бірдей.

Соңғы кескін - бұл аспаптық күшейткіштің жиілікке жауап схемасы. Бұл құралдың күшейткішінің кіріс сигналының шамасын шамамен 1000 -ға арттыруға қабілетті екенін көрсетеді. Аспапты күшейткіш үшін қажетті күшейту 1000 болды. Екінші модельде көрсетілген теңдеуді қолдана отырып, имитациялық күшейткіштің кірісі 999,6 құрайды. Қажетті пайда мен тәжірибелік пайда арасындағы қателік пайызы 0,04%құрайды. Бұл пайыздық қатенің рұқсат етілген мөлшері.

2 -қадам: 2 -қадам: ойық сүзгісі

ЭКГ схемасында қолданылатын келесі компонент - белсенді сүзгі. Белсенді сүзгі - бұл жұмыс істеу үшін қуатты қажет ететін сүзгі. Бұл тапсырма үшін ең жақсы белсенді сүзгі - бұл ойық сүзгісі. Кескіш сүзгі сигналды бір жиілікте немесе өте тар жиілік диапазонында жою үшін қолданылады. Бұл схема жағдайында ойық сүзгісімен алынатын жиілік 60 Гц құрайды. 60 Гц - бұл электр желілерінің жұмыс жасайтын жиілігі, сондықтан құрылғыларда үлкен шу көзі болып табылады. Powerline шуы биомедициналық сигналдарды бұрмалайды және мәліметтер сапасын төмендетеді [5]. Бұл схема үшін қолданылатын ойық сүзгінің жалпы формасы осы қадамға арналған бірінші фотода көрсетілген. Шұңқырлы сүзгінің белсенді компоненті - бекітілген буфер. Буфер ойықты сүзгіден кейін сигналды оқшаулау үшін қолданылады. Буфер сүзгінің бөлігі болғандықтан және оған жұмыс істеу үшін қуат қажет болғандықтан, ойық сүзгісі осы тізбектің белсенді сүзгі компоненті болып табылады.

Кескіш сүзгінің резистивті және конденсаторлық компоненттерінің теңдеуі екінші суретте көрсетілген [6]. Теңдеуде fN - жойылатын жиілік, ол 60 Гц. Аспаптық күшейткіш сияқты, резисторды да, конденсаторды да кез келген мәнге орнатуға болады, ал екінші мәнді екінші фотода көрсетілген теңдеу бойынша есептеуге болады. Бұл сүзгі үшін C -ге 1 µF мәні берілді, ал қалған мәндер осы мәнге негізделген. Конденсатордың мәні ыңғайлылыққа байланысты шешілді. Екінші суреттегі кестеде 2R, R, 2C және C мәндері көрсетілген.

Бұл қадамның үшінші бейнесі - дәл мәндері бар соңғы фильтрлік тізбек. Осы тізбектің көмегімен 5В көмегімен айнымалы токты тазарту талдауы жүргізілді. 5В күшейтуден кейінгі кернеуге сәйкес келеді. Қалған талдау параметрлері аспаптық күшейткіш қадамында айтылғандармен бірдей. Жиілікке жауап беру схемасы соңғы фотода көрсетілген. Екінші фотодағы мәндер мен теңдеулерді қолдана отырып, ойық сүзгісінің нақты жиілігі 61,2 Гц құрайды. Шұңқырлы сүзгі үшін қажетті мән 60 Гц болды. Қателік пайызының теңдеуін қолдана отырып, имитациялық сүзгі мен теориялық сүзгінің арасында 2% қателік болады. Бұл қатенің рұқсат етілген мөлшері.

3 -қадам: 3 -қадам: төмен өту сүзгісі

Бұл тізбекте қолданылатын соңғы бөлшек түрі - пассивті сүзгі. Жоғарыда айтылғандай, пассивті сүзгі - бұл жұмыс істеу үшін қуат көзін қажет етпейтін сүзгі. ЭКГ үшін сигналдан шуды дұрыс шығару үшін жоғары өту және төмен өту сүзгісі қажет. Контурға қосылатын пассивті сүзгінің бірінші түрі - төмен өткізгішті сүзгі. Атауынан көрініп тұрғандай, бұл алдымен шектеу жиілігінен төмен сигналдың өтуіне мүмкіндік береді [7]. Төмен өту сүзгісі үшін үзіліс жиілігі сигнал диапазонының жоғарғы шегі болуы керек. Бұрын айтылғандай, ЭКГ сигналының жоғарғы диапазоны 150 Гц [2]. Жоғарғы шекті орнату арқылы басқа сигналдардың шуы сигналды алу кезінде қолданылмайды.

Кесу жиілігінің теңдеуі f = 1 / (2 * pi * R * C). Алдыңғы тізбек компоненттері сияқты, R мен C мәндерін жиілікті қосу және компоненттік мәндердің бірін орнату арқылы табуға болады [7]. Төмен өту сүзгісі үшін конденсатор 1 мкФ орнатылды және қалаған ажырату жиілігі 150 Гц. Шектік жиілік теңдеуін қолдана отырып, резистор компонентінің мәні 1 кОм есептеледі. Бұл қадамның бірінші суреті төмен өтетін сүзгінің толық схемасы болып табылады.

Кескін сүзгісі үшін анықталған параметрлер екінші суретте көрсетілген төмен өту сүзгісінің айнымалы токты талдау үшін қолданылады. Бұл компонент үшін қажетті ажырату жиілігі 150 Гц және 3 -теңдеуді қолдана отырып, имитациялық кесу жиілігі 159 Гц құрайды. Бұл пайыздық қателік 6%құрайды. Бұл компоненттің қателік пайызы артықшылықтан жоғары, бірақ компоненттер физикалық схемаға аударудың қарапайымдылығы үшін таңдалды. Бұл екінші суреттегі жиілікке жауап беру схемасына негізделген төмен өту сүзгісі, себебі тек 5 В -да шектеу жиілігінен төмен сигнал өтуге қабілетті, ал жиілік үзілу жиілігіне жақындаған сайын кернеу төмендейді.

4 -қадам: 4 -қадам: Жоғары рұқсат сүзгісі

ЭКГ тізбегінің екінші пассивті компоненті - жоғары өту сүзгісі. Жоғары өту сүзгісі - бұл кез келген жиіліктен үлкен жиілікке өтуге мүмкіндік беретін сүзгі. Бұл компонент үшін шектеу жиілігі 0,05 Гц құрайды. Тағы да 0,05 Гц - ЭКГ сигналдарының диапазонының төменгі ұшы [2]. Бұл шамалы болса да, сигналдағы кез келген кернеу ауытқуын сүзу үшін жоғары өту сүзгісі болуы керек. Сондықтан жоғары жиілік сүзгісі схеманың конструкциясында әлі де қажет, бірақ ажырату жиілігі соншалықты аз.

Үзілу жиілігінің теңдеуі төмен өткізгішті ажырату сүзгісімен бірдей, f = 1 / (2 * pi * R * C). Резистордың мәні 50 кОм -ге орнатылды және қалаған ажырату жиілігі 0,05 Гц [8]. Осы ақпаратты қолдана отырып, конденсатордың мәні 63 мкФ дейін есептелді. Бұл қадамға арналған бірінші сурет - сәйкес мәндері бар жоғары өту сүзгісі.

Айнымалы токты талдау - екінші сүзгі. Төмен өту сүзгісі сияқты, сигнал жиілігі үзілу жиілігіне жақындаған сайын шығыс кернеуі төмендейді. Жоғары өту сүзгісі үшін қажетті үзілу жиілігі 0,05 Гц және имитацияланған кесу жиілігі 0,0505 Гц құрайды. Бұл мән төмен өту жиілігінің теңдеуінің көмегімен есептелген. Бұл компоненттің қателік пайызы 1%құрайды. Бұл пайыздық қате.

5 -қадам: 5 -қадам: Толық тізбек

Бүкіл тізбек төрт компонентті, аспаптық күшейткішті, ойық сүзгіні, төмен өту сүзгісін және жоғары өту сүзгісін тізбектей қосу арқылы құрастырылады. Толық схема схемасы осы қадам үшін бірінші суретте көрсетілген.

Екінші суретте көрсетілген имитациялық жауап осы схема үшін қолданылатын компоненттердің түрлеріне негізделеді деп күтілуде. Бұл схема ЭКГ сигналының төменгі және жоғарғы шектеріндегі шуды сүзеді, сонымен қатар электр желілерінен шуды сәтті сүзеді. Төмен өту сүзгісі үзіліс жиілігінен төмен сигналды сәтті жояды. Жиілікке жауап беру схемасында көрсетілгендей, 0,01 Гц кезінде сигнал 1 В кернеуден өтеді, бұл мән қажетті шығудан 5 есе аз. Жиілік жоғарылаған сайын шығыс кернеуі 0,1 Гц шыңына жеткенше артады. Шың 5 В шамасында, ол аспаптық күшейткіш үшін 1000 -ға тең. Сигнал 10 Гц -тен бастап 5 В -тан төмендейді. Жиілік 60 Гц болғанда, тізбектен сигнал шықпайды. Бұл фильтрдің мақсаты болды және ол электр желілерінің кедергілеріне қарсы тұруға арналған. Жиілік 60 Гц -тен асқан соң, кернеу жиілікте қайтадан жоғарылай бастайды. Ақырында, жиілік 110 Гц -ке жеткенде, сигнал шамамен 2 В екінші шыңға жетеді, сол жерден шығыс сүзгісі төмен болғандықтан шығыс төмендейді.

6 -қадам: Қорытынды

Бұл тапсырманың мақсаты - жүрек циклін дәл тіркеуге қабілетті автоматтандырылған ЭКГ модельдеу. Мұны істеу үшін пациенттен алынатын аналогтық сигналды күшейтіп, содан кейін ЭКГ сигналын қосу үшін сүзу қажет болды. Бұл сигналдың шамасын шамамен 1000 есе ұлғайту үшін алдымен аспаптық күшейткішті қолдану арқылы жүзеге асты. Содан кейін электр желілерінің шуы сигналдан, сондай -ақ ЭКГ белгіленген жиілік диапазонынан жоғарыдан төмен шуды алып тастау қажет болды. Бұл белсенді тісті сүзгіні, сонымен қатар пассивті жоғары және төмен өту сүзгілерін қосуды білдірді. Бұл тапсырманың түпкілікті өнімі симуляцияланған схема болғанына қарамастан, әдетте қол жетімді резистивті және сыйымдылықты компоненттердің стандартты мәндерін ескере отырып, рұқсат етілген қате болды. Барлық жүйе күтілгендей орындалды және физикалық схемаға оңай ауысуға болатын еді.

7 -қадам: Ресурстар

[1] X.-L. Ян, Г.-З. Лю, Ю. Х. Тонг, Х. Ян, З. Сю, Q. Чен, X. Лю, Х.-Х. Чжан, Х. Б. Ван және С.-Х. Тан, «Электрокардиограмма тарихы, ыстық нүктелері мен үрдістері», Гериатриялық кардиология журналы: JGC, шілде-2015. [Желіде]. Қол жетімді: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Қолданылған: 01-желтоқсан-2020].

[2] Л. Г. Терещенко мен М. Е. Жозефсон, «Қарыншалық өткізгіштіктің жиілігі мен сипаттамасы», Электрокардиология журналы, 2015. [Онлайн]. Қол жетімді: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Қолданылған: 01-желтоқсан-2020].

[3] «Дифференциалды күшейткіш-кернеуді төмендетуші», Электрониканың негізгі оқулықтары, 17-наурыз-2020 ж. [Желіде]. Қол жетімді: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Қол жетімді: 01-желтоқсан-2020].

[4] C.-H. Чен, С.-Г. Пан және П. Кингет, «ЭКГ өлшеу жүйесі», Колумбия университеті.

[5] S. Akwei-Sekyere, «Соқыр көзді ажырату және толқындық талдау арқылы биомедициналық сигналдарда Powerline шуын жою», PeerJ, 02-шілде-2015 ж. [Желіде]. Қол жетімді: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Қолданылған: 01-желтоқсан-2020].

[6] «Жолақты тоқтату сүзгілері қабылдамайтын сүзгілер деп аталады», Электрониканың негізгі оқулықтары, 29-маусым-2020 ж. [Желіде]. Қол жетімді: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Қол жетімді: 01-желтоқсан-2020].

[7] «Low Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial», Электрониканың негізгі оқулықтары, 01-мамыр-2020 ж. [Желіде]. Қол жетімді: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Қол жетімді: 01-желтоқсан-2020].

[8] «High Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial», Электрониканың негізгі оқулықтары, 05-наурыз-2019 ж. [Желіде]. Қол жетімді: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Қол жетімді: 01-желтоқсан-2020].