Автоматташтырылган ECG- BME 305 Final Project Extra Credit: 7 Steps

2024 Автор: John Day | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-30 10:36

Электрокардиограмма (ЭКГ же ЭКГ) согуп жаткан жүрөктүн электрдик сигналдарын өлчөө үчүн колдонулат жана жүрөк -кан тамыр ооруларынын диагнозунда жана божомолунда чоң роль ойнойт. ЭКГдан алынган кээ бир маалымат пациенттин жүрөгүнүн ритмин, ошондой эле согуунун күчүн камтыйт. Ар бир ЭКГ толкун формасы жүрөктүн циклинин кайталанышынан пайда болот. Маалымат пациенттин терисине жайгаштырылган электрод аркылуу чогултулат. Андан кийин сигнал күчөтүлүп, берилген маалыматтарды туура талдоо үчүн ызы -чуу чыпкаланат. Чогултулган маалыматтарды колдонуу менен изилдөөчүлөр жүрөк -кан тамыр ооруларын диагноздоону гана эмес, ЭКГ дагы түшүнүксүз ооруларды түшүнүүнү жана таанууну жогорулатууда чоң роль ойноду. ЭКГнын ишке ашышы аритмия жана ишемия сыяктуу шарттарды дарылоону абдан жакшыртты [1].

Берилиштер:

Бул көрсөтмө виртуалдык ЭКГ аппаратын окшоштуруу үчүн арналган, ошондуктан бул экспериментти жүргүзүү үчүн керектүү нерсенин баары иштеп жаткан компьютер. Төмөнкү симуляциялар үчүн колдонулган программа LTspice XVII жана аны интернеттен көчүрүп алса болот.

1 -кадам: 1 -кадам: Аспаптык күчөткүч

Райондун биринчи компоненти инструменталдык күчөткүч болуп саналат. Аты айтып тургандай, приборлордун күчөткүчү сигналдын чоңдугун жогорулатуу үчүн колдонулат. Күчөтүлбөгөн же фильтрленбеген ЭКГ сигналы болжол менен 5 мВ амплитудада. Сигналды чыпкалоо үчүн аны күчөтүү керек. Биоэлектрдик сигналдын тийиштүү түрдө чыпкаланышы үчүн бул схема үчүн акылга сыярлык киреше чоң болушу керек. Ошондуктан, бул схеманын кирешеси болжол менен 1000. Инструменталдык күчөткүчтүн жалпы формасы бул кадамдын сүрөттөрүнө киргизилген [2]. Мындан тышкары, схеманын пайдасы үчүн теңдемелер, ар бир компонент үчүн эсептелген баалуулуктар экинчи сүрөттө көрсөтүлгөн [3].

Потенциал терс, анткени чыңалуу операциялык күчөткүчтүн инверттик пинине берилет. Экинчи сүрөттө көрсөтүлгөн баалуулуктар R1, R2, R3 маанилерин орнотуу жана каалаган баалуулуктар катары алуу жана андан кийин R4 акыркы маанисин чечүү аркылуу табылган. Бул кадамдын үчүнчү сүрөтү - бул LTspiceтин симуляцияланган схемасы, так баалуулуктар менен толукталган.

Жалпысынан жана жеке компоненттер катары чынжырды текшерүү үчүн, өзгөрмө токту (AC) талдоо керек. Бул анализ формасы жыштыктар өзгөргөн сайын сигналдын чоңдугуна карайт. Ошондуктан, AC анализинин шыпыруу анализи он жыл болушу керек, анткени ал x огунун масштабын орнотот жана натыйжаларды так окуу үчүн ыңгайлуу. Он жылда 100 маалымат пункту болушу керек. Бул натыйжалуулукту камсыз кылып, программада ашыкча иштебестен, маалыматтардагы тенденцияларды так жеткирет. Баштоо жана токтотуу жыштыгынын маанилери кесилген жыштыктарды камтышы керек. Демек, акылга сыярлык башталыш жыштыгы 0,01 Гц жана акылга сыярлык токтотуу жыштыгы 1 кГц. Аспаптык күчөткүч үчүн киргизүү функциясы 5 мВ чоңдуктагы синус толкуну болуп саналат. 5 мВ ЭКГ сигналынын стандарттык амплитудасына туура келет [4]. Синус толкуну ЭКГ сигналынын өзгөрүүчү жактарын туурайт. Бул анализдин бардык орнотуулары, киргизүү чыңалуусунан башка, ар бир компонент үчүн бирдей.

Акыркы сүрөт - бул приборлордун күчөткүчүнүн жыштык жооп берүү сюжети. Бул приборлордун күчөткүчүнүн кирүү сигналынын чоңдугун болжол менен 1000ге жогорулатууга жөндөмдүү экенин көрсөтүп турат. Аспаптык күчөткүч үчүн керектүү пайда 1000 болгон. Симуляцияланган приборлордун күчөткүчүнүн кирешеси 999,6, экинчи сүрөттө көрсөтүлгөн теңдеменин жардамы менен табылган. Каалаган пайда менен эксперименталдык пайда ортосундагы пайыздык ката 0.04%ды түзөт. Бул пайыздык катанын алгылыктуу суммасы.

2 -кадам: 2 -кадам: Notch Filter

ЭКГ схемасында колдонулган кийинки компонент активдүү чыпка. Активдүү чыпка - бул иштөө үчүн күчтү талап кылган чыпка. Бул тапшырманы аткаруу үчүн эң мыкты активдүү чыпка - бул оюк чыпкасы. Тиштүү чыпка бир жыштыкта же өтө жыштык диапазонунда сигналды жок кылуу үчүн колдонулат. Бул схемада учурда, чыпкасы менен алынып салынуучу жыштык 60 Гц. 60 Гц - бул электр линиялары иштеген жыштык, ошондуктан аппараттар менен ызы -чуунун чоң булагы болуп саналат. Powerline ызы -чуусу биомедициналык сигналдарды бурмалап, маалыматтын сапатын төмөндөтөт [5]. Бул схема үчүн колдонулган оюк чыпкасынын жалпы формасы бул кадам үчүн биринчи сүрөттө көрсөтүлгөн. Чыпка чыпкасынын активдүү компоненти тиркелген буфер болуп саналат. Буфер сигнал чыпкасынан кийин изоляциялоо үчүн колдонулат. Буфер чыпканын бир бөлүгү болгондуктан жана иштөө үчүн күч керек болгондуктан, чыпкасы бул схеманын активдүү чыпкасы компоненти болуп саналат.

Чыпканын чыңалуусунун резистивдүү жана конденсатордук компоненттеринин теңдемеси экинчи сүрөттө көрсөтүлгөн [6]. Теңдемеде fN - бул алынып салынуучу жыштык, ал 60 Гц. Аспаптын күчөткүчүндөй эле, же резистор же конденсатордун мааниси каалаган сүрөттө коюлушу мүмкүн, ал эми башка сүрөттө экинчи сүрөттө көрсөтүлгөн теңдеме менен эсептелет. Бул чыпка үчүн C 1 µF мааниге ээ болгон жана калган баалуулуктар ошол маанинин негизинде табылган. Конденсатордун баасы ыңгайлуулуктун негизинде чечилген. Экинчи сүрөттөгү стол колдонулган 2R, R, 2C жана C маанилерин көрсөтөт.

Бул кадамдын үчүнчү сүрөтү - бул так баалуулуктарга ээ болгон акыркы чыпка схемасы. Ошол схеманы колдонуу менен, AC шыпыруу анализи 5V менен иштетилген. 5V күчөтүүдөн кийинки чыңалууга туура келет. Калган анализдин параметрлери приборлордун күчөткүч кадамында айтылгандар менен бирдей. Жыштыкка жооп берүү сюжети акыркы сүрөттө көрсөтүлгөн. Экинчи сүрөттөгү баалуулуктарды жана теңдемелерди колдонуп, чыпка үчүн чыныгы жыштык 61,2 Гц. Нот чыпкасы үчүн керектүү маани 60 Гц болгон. Пайыздык ката теңдемесин колдонуп, окшоштурулган чыпка менен теориялык чыпканын ортосунда 2% ката бар. Бул катанын алгылыктуу суммасы.

3 -кадам: 3 -кадам: Low Pass чыпкасы

Бул схемада колдонулган бөлүктүн акыркы түрү пассивдүү чыпка. Жогоруда айтылгандай, пассивдүү чыпка - бул иштөө үчүн кубат булагын талап кылбаган чыпка. ЭКГ үчүн сигналдан ызы -чууну туура алып салуу үчүн жогорку өтмөк да, төмөн өтмө чыпка дагы керек. Районго кошулуучу пассивдүү чыпканын биринчи түрү - төмөн өтүү чыпкасы. Аталышынан көрүнүп тургандай, бул адегенде чектин жыштыгынан төмөн сигналды өткөрүүгө мүмкүнчүлүк берет [7]. Төмөн өтүү чыпкасы үчүн чектин жыштыгы сигнал диапазонунун жогорку чеги болушу керек. Мурда да айтылгандай, ЭКГ сигналынын жогорку диапазону 150 Гц [2]. Жогорку чекти коюу менен, сигналды алууда башка сигналдардын ызы -чуусу колдонулбайт.

Кесилген жыштыктын теңдемеси f = 1 / (2 * pi * R * C). Мурунку райондук компоненттери сыяктуу эле, R жана C үчүн баалуулуктарды жыштыкка туташтыруу жана компоненттин маанилеринин бирин коюу аркылуу табууга болот [7]. Төмөн өтүү чыпкасы үчүн конденсатор 1 µF орнотулган жана каалаган жыштык 150 Гц. Чектелген жыштык теңдемесин колдонуу менен резистордун компонентинин мааниси 1 кОм деп эсептелет. Бул кадамдын биринчи сүрөтү - бул толук өтмө чыпканын схемасы.

Чыпка чыпкасы үчүн аныкталган ошол эле параметрлер экинчи сүрөттө көрсөтүлгөн аз өтмө чыпканын AC Sweep анализи үчүн колдонулат. Бул компонент үчүн керектүү үзгүлтүк жыштыгы 150 Гц жана Equation 3тү колдонуп, симуляцияланган кесүү жыштыгы 159 Гц. Бул 6%пайыз ката бар. Бул компоненттин пайыздык катасы артыкчылыктан жогору, бирок компоненттер физикалык схемага которуунун оңойлугу үчүн тандалган. Бул экинчи сүрөттөгү жыштыктарга жооп берүү сюжетине негизделген, төмөн өтмө чыпкасы, анткени чектин жыштыгынан ылдыйкы сигнал 5 Вте өтүүгө жөндөмдүү жана жыштык үзүлүү жыштыгына жакындаган сайын чыңалуу азаят.

4 -кадам: 4 -кадам: Жогорку өткөрмө чыпкасы

ЭКГ схемасы үчүн экинчи пассивдүү компонент - бул жогорку өткөрмө чыпкасы. Жогорку өтүү чыпкасы - бул чегинен ашкан ар кандай жыштыктарга өтүүгө мүмкүндүк берген чыпка. Бул компонент үчүн чектин жыштыгы 0,05 Гц болот. Дагы бир жолу 0.05 Гц - ЭКГ сигналдарынын диапазонунун төмөнкү учу [2]. Мааниси ушунчалык кичине болсо да, сигналдагы кандайдыр бир чыңалуу ордун чыпкалоо үчүн дагы деле жогорку өтмө чыпкасы болушу керек. Ошондуктан, жогорку өткөрмө чыпкасы дагы эле схеманын дизайнында керек, бирок чектин жыштыгы анча чоң эмес.

Чектөө жыштыгы үчүн теңдеме төмөн өтүү чыпкасы менен бирдей, f = 1 / (2 * pi * R * C). Резистордун мааниси 50 кОмго коюлган жана каалаган жыштык 0,05 Гц [8]. Бул маалыматты колдонуп, конденсатордун баасы 63 µFке чейин эсептелген. Бул кадамдын биринчи сүрөтү тиешелүү баалуулуктары бар жогорку өтмө чыпкасы.

AC Sweep анализи экинчи чыпкасы болуп саналат. Төмөн өтүү чыпкасына окшоп, сигналдын жыштыгы кесүү жыштыгына жакындаганда чыгуучу чыңалуу төмөндөйт. Жогорку өтүү чыпкасы үчүн каалаган кесүү жыштыгы 0,05 Гц жана окшоштурулган кесүү жыштыгы 0,0505 Гц. Бул маани төмөнкү өтмөктүн жыштыгы теңдемесин колдонуу менен эсептелген. Бул компоненттин пайыздык катасы 1%ды түзөт. Бул алгылыктуу пайыздык ката.

5 -кадам: 5 -кадам: Толук микросхема

Бүтүндөй схема төрт компонентти, приборлордун күчөткүчүн, оюк чыпкасын, төмөн өтүү чыпкасын жана жогорку өтүү чыпкасын сериялуу туташтыруу менен курулган. Толук схема бул кадам үчүн биринчи сүрөттө көрсөтүлгөн.

Экинчи сүрөттө көрсөтүлгөн окшоштурулган жооп, бул схема үчүн колдонулган компоненттердин түрлөрүнө негизделет деп күтүлгөндөй иштейт. Түзүлгөн схема ЭКГ сигналынын төмөнкү жана жогорку чектериндеги чууну чыпкалап, ошондой эле электр линияларындагы ызы -чууну ийгиликтүү чыпкалап турат. Төмөн өтүү чыпкасы сигналды кесилген жыштыктан ийгиликтүү алып салат. Frequency жооп участогунда көрсөтүлгөндөй, 0.01 Гцте сигнал 1 В аркылуу өткөрүлөт, бул көрсөткүч каалаган өндүрүштөн 5 эсе аз. Жыштык көбөйгөн сайын, чыңалуу 0.1 Гц чокусуна жеткенге чейин жогорулайт. Чокусу 5 В тегерегинде, ал приборлордун күчөткүчү үчүн 1000ге жетет. Сигнал 5 Гцтен 10 Гцтен баштап төмөндөйт. Жыштык 60 Гц болгондо, схема тарабынан чыгарылган сигнал жок. Бул оюк чыпкасынын максаты жана электр линияларынын кийлигишүүсүнө каршы туруу болчу. Жыштык 60 Гцтен ашкандан кийин, чыңалуу кайрадан жыштык менен өсө баштайт. Акыр -аягы, жыштык 110 Гцке жеткенде, сигнал болжол менен 2 В орто чокусуна жетет. Ал жерден чыпкасы аз болгондуктан, өндүрүш төмөндөйт.

6 -кадам: Жыйынтык

Бул тапшырманын максаты кардиологиялык циклди так жазууга жөндөмдүү автоматташтырылган ЭКГны имитациялоо болчу. Бул үчүн, пациенттен алынган аналогдук сигнал күчөтүлүп, андан кийин ЭКГ сигналын гана камтуу үчүн чыпкаланышы керек болчу. Бул биринчи жолу сигналдын чоңдугун болжол менен 1000 эсе жогорулатуу үчүн приборлордун күчөткүчүнүн жардамы менен ишке ашты. Андан кийин электр линияларынын ызы -чуусун сигналдан, ошондой эле ЭКГнын белгиленген жыштык диапазонунан жогору жана астынан алып салуу керек. Бул активдүү оюк чыпкасын, ошондой эле пассивдүү жогорку жана төмөн өтүү чыпкаларын камтыйт. Бул тапшырма үчүн акыркы продукт окшоштурулган схема болгонуна карабастан, адатта жеткиликтүү болгон резистивдүү жана сыйымдуу компоненттердин стандарттык баалуулуктарын эске алуу менен дагы деле алгылыктуу ката бар болчу. Бардык системалар күтүлгөндөй аткарылган жана физикалык схемага өтө оңой өтүшү мүмкүн.

7 -кадам: Ресурстар

[1] X.-L. Янг, Г.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Чжан, H.-B. Ван жана С.-Х. Тан, "Электрокардиограмманын тарыхы, чекиттер жана тенденциялар", Гериатриялык кардиология журналы: JGC, Jul-2015. [Онлайн]. Жеткиликтүү: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Киргизилген: 01-Дек-2020].

[2] Л. Г. Терещенко жана М. Э. Жозефсон, "Карынчанын өткөрүмдүүлүгүнүн жыштыгы жана өзгөчөлүктөрү", Электрокардиология журналы, 2015. [Онлайн]. Жеткиликтүү: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Киргизилген: 01-Дек-2020].

[3] "Дифференциалдуу күчөткүч-Чыңалуу азайтуучу", Электрониканын негизги окуу куралдары, 17-Март-2020. [Онлайн]. Жеткиликтүү: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Мүмкүнчүлүк: 01-Дек-2020].

[4] C.-H. Чен, С.-Г. Пан жана П. Кингет, "ЭКГ өлчөө системасы", Колумбия университети.

[5] S. Akwei-Sekyere, "сокур булактарды ажыратуу жана толкундук анализи аркылуу биомедициналык сигналдарда Powerline ызы-чууну жоюу", PeerJ, 02-Jul-2015. [Онлайн]. Жеткиликтүү: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Киргизилген: 01-Дек-2020].

[6] "Band Stop чыпкалары четке кагуу чыпкалары деп аталат", Электрониканын негизги үйрөткүчтөрү, 29-июнь-2020-ж. [Онлайн]. Жеткиликтүү: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Киргизилген: 01-Дек-2020].

[7] "Low Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial," Basic Electronics Tutorials, 01-May-2020. [Онлайн]. Жеткиликтүү: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Киргизилген: 01-Дек-2020].

[8] "High Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial," Basic Electronics Tutorials, 05-Mar-2019. [Онлайн]. Жеткиликтүү: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Кирди: 01-Дек-2020].