ECG- BME 305 پروژه نهایی اعتبار اضافی: 7 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:51

از الکتروکاردیوگرام (ECG یا EKG) برای اندازه گیری سیگنال های الکتریکی تولید شده توسط قلب تپنده استفاده می شود و نقش زیادی در تشخیص و پیش آگهی بیماری های قلبی عروقی دارد. برخی از اطلاعات بدست آمده از نوار قلب شامل ریتم ضربان قلب بیمار و همچنین شدت ضربان است. هر شکل موج نوار قلب با تکرار چرخه قلب ایجاد می شود. داده ها از طریق الکترودهای روی پوست بیمار جمع آوری می شود. سپس سیگنال تقویت می شود و نویز فیلتر می شود تا داده های موجود را به درستی تجزیه و تحلیل کند. با استفاده از داده های جمع آوری شده ، محققان می توانند نه تنها بیماری های قلبی عروقی را تشخیص دهند ، بلکه نوار قلب نیز نقش بسزایی در افزایش درک و تشخیص بیماری های مبهم ایفا کرده است. اجرای ECG درمان بیماریهایی مانند آریتمی و ایسکمی را تا حد زیادی بهبود بخشیده است [1].

تدارکات:

این دستورالعمل برای شبیه سازی یک دستگاه ECG مجازی است و بنابراین تنها چیزی که برای انجام این آزمایش لازم است یک کامپیوتر در حال کار است. نرم افزار مورد استفاده در شبیه سازی های زیر LTspice XVII است و می توان آن را از اینترنت بارگیری کرد.

مرحله 1: مرحله 1: تقویت کننده ابزار دقیق

اولین جزء مدار تقویت کننده ابزار دقیق است. همانطور که از نامش پیداست ، از تقویت کننده ابزار برای افزایش اندازه سیگنال استفاده می شود. سیگنال نوار قلب که تقویت یا فیلتر نشده است ، تقریباً 5 میلی ولت در دامنه است. برای فیلتر کردن سیگنال ، باید آن را تقویت کرد. برای اینکه سیگنال بیوالکتریک مناسب فیلتر شود ، سود منطقی برای این مدار باید زیاد باشد. بنابراین ، سود این مدار حدود 1000 خواهد بود. شکل کلی تقویت کننده ابزار در تصاویر این مرحله گنجانده شده است [2]. علاوه بر معادلات برای افزایش مدار ، مقادیری که برای هر جزء محاسبه شده است در تصویر دوم نشان داده شده است [3].

افزایش منفی است زیرا ولتاژ به پین معکوس تقویت کننده عملیاتی وصل می شود. مقادیر نشان داده شده در تصویر دوم با تنظیم مقادیر R1 ، R2 ، R3 و افزایش به عنوان مقادیر مورد نظر و سپس حل مقدار نهایی R4 پیدا شد. تصویر سوم برای این مرحله ، مدار شبیه سازی شده در LTspice است که با مقادیر دقیق کامل شده است.

به منظور آزمایش مدار ، به عنوان یک کل و به عنوان اجزای جداگانه ، یک تجزیه و تحلیل جریان متناوب (AC) باید اجرا شود. این شکل از تجزیه و تحلیل به اندازه سیگنال با تغییر فرکانس ها نگاه می کند. بنابراین ، نوع تجزیه و تحلیل رفت و برگشت AC باید یک دهه طول بکشد زیرا مقیاس بندی محور x را تنظیم می کند و برای خواندن دقیق نتایج مفیدتر است. در هر دهه ، باید 100 نقطه داده وجود داشته باشد. این امر به طور دقیق روند داده ها را بدون کار زیاد بر برنامه منتقل می کند و کارایی را تضمین می کند. مقادیر فرکانس شروع و توقف باید شامل هر دو فرکانس قطع شده باشد. بنابراین ، فرکانس شروع معقول 0.01 هرتز و فرکانس توقف معقول 1 کیلوهرتز است. برای تقویت کننده ابزار دقیق ، عملکرد ورودی یک موج سینوسی با قدرت 5 میلی ولت است. 5 میلی ولت با دامنه استاندارد سیگنال نوار قلب مطابقت دارد [4]. موج سینوسی جنبه های متغیر سیگنال نوار قلب را تقلید می کند. همه این تنظیمات تجزیه و تحلیل ، به جز ولتاژ ورودی ، برای هر جزء یکسان است.

تصویر نهایی نمودار پاسخ فرکانس برای تقویت کننده ابزار دقیق است. این نشان می دهد که تقویت کننده ابزار می تواند اندازه سیگنال ورودی را حدود 1000 افزایش دهد. سود مورد نظر برای تقویت کننده ابزار 1000 برابر بود. افزایش تقویت کننده ابزار شبیه سازی شده 999.6 است که با استفاده از معادله نشان داده شده در عکس دوم بدست آمده است. درصد خطا بین سود مورد نظر و سود آزمایشی 0.04٪ است. این مقدار قابل قبول درصد خطا است.

مرحله 2: مرحله 2: Notch Filter

جزء بعدی که در مدار نوار قلب استفاده می شود یک فیلتر فعال است. فیلتر فعال فقط فیلتری است که برای عملکرد نیاز به قدرت دارد. برای این تخصیص ، بهترین فیلتر فعال برای استفاده ، فیلتر ناچ است. یک فیلتر ناچ برای حذف سیگنال در یک فرکانس یا محدوده بسیار محدود از فرکانس ها استفاده می شود. در مورد این مدار ، فرکانسی که با فیلتر ناچ حذف می شود 60 هرتز است. 60 هرتز فرکانسی است که خطوط برق در آن کار می کنند و بنابراین منبع بزرگی از سر و صدا برای دستگاه ها است. سر و صدای Powerline سیگنال های پزشکی را مخدوش کرده و کیفیت داده ها را کاهش می دهد [5]. شکل کلی فیلتر ناچ مورد استفاده برای این مدار در عکس اول برای این مرحله نشان داده شده است. جزء فعال فیلتر ناچ بافر متصل شده است. بافر برای جداسازی سیگنال پس از فیلتر ناچ استفاده می شود. از آنجا که بافر قسمتی از فیلتر است و برای کار نیاز به قدرت دارد ، فیلتر ناچ فیلتر فعال این مدار است.

معادله اجزای مقاومتی و خازنی فیلتر ناچ در عکس دوم نشان داده شده است [6]. در معادله ، fN فرکانس حذف شده است که 60 هرتز است. مانند تقویت کننده ابزار ، مقدار مقاومت یا خازن را می توان روی هر مقداری تنظیم کرد و مقدار دیگر را با معادله نشان داده شده در عکس دوم محاسبه کرد. برای این فیلتر ، مقدار C 1 μF تعیین شد و بقیه مقادیر بر اساس آن مقدار یافت شد. مقدار خازن بر اساس راحتی تعیین می شود. جدول موجود در عکس دوم مقادیر 2R ، R ، 2C و C را نشان می دهد.

سومین تصویر برای این مرحله ، مدار فیلتر ناچ نهایی با مقادیر دقیق است. با استفاده از آن مدار ، تجزیه و تحلیل AC Sweep با استفاده از 5 ولت اجرا شد. 5 ولت با ولتاژ پس از تقویت مطابقت دارد. بقیه پارامترهای تجزیه و تحلیل همان چیزی است که در مرحله تقویت کننده ابزار دقیق بیان شد. نمودار پاسخ فرکانس در عکس نهایی نشان داده شده است. با استفاده از مقادیر و معادلات موجود در عکس دوم ، فرکانس واقعی فیلتر ناچ 61.2 هرتز است. مقدار مورد نظر برای فیلتر ناچ 60 هرتز بود. با استفاده از معادله درصد خطا ، بین فیلتر شبیه سازی شده و فیلتر نظری 2٪ خطا وجود دارد. این مقدار خطای قابل قبولی است.

مرحله 3: مرحله 3: فیلتر Low Pass

آخرین نوع قطعه مورد استفاده در این مدار فیلتر غیرفعال است. همانطور که قبلاً ذکر شد ، فیلتر غیرفعال فیلتری است که برای کارکردن نیازی به منبع تغذیه ندارد. برای نوار قلب ، هر دو فیلتر بالا گذر و یک فیلتر پایین گذر برای حذف صحیح نویز از سیگنال مورد نیاز است. اولین نوع فیلتر غیرفعال که به مدار اضافه می شود ، فیلتر کم گذر است. همانطور که از نامش پیداست ، این ابتدا اجازه می دهد تا سیگنال زیر فرکانس قطع عبور کند [7]. برای فیلتر کم گذر ، فرکانس قطع باید حد بالای محدوده سیگنال باشد. همانطور که قبلاً ذکر شد ، محدوده بالایی سیگنال ECG 150 هرتز است [2]. با تعیین حد بالایی ، نویز سایر سیگنالها در جذب سیگنال استفاده نمی شود.

معادله فرکانس قطع f = 1 / (2 * pi * R * C) است. مانند اجزای مدار قبلی ، مقادیر R و C را می توان با اتصال فرکانس و تنظیم یکی از مقادیر جزء [7] یافت. برای فیلتر کم گذر ، خازن 1 µF تنظیم شده و فرکانس قطع مورد نظر 150 هرتز است. با استفاده از معادله فرکانس قطع ، مقدار مولفه مقاومت 1 کیلو وات محاسبه می شود. اولین تصویر برای این مرحله یک شماتیک کامل فیلتر کم گذر است.

همان پارامترهای تعریف شده برای فیلتر ناچ برای تجزیه و تحلیل AC Sweep فیلتر کم گذر ، که در تصویر دوم نشان داده شده است ، استفاده می شود. برای این جزء ، فرکانس قطع مورد نظر 150 هرتز است و با استفاده از رابطه 3 ، فرکانس قطع شبیه سازی شده 159 هرتز است. این درصد خطا 6 است. درصد خطا برای این جزء بیشتر از ترجیح است ، اما اجزا برای سهولت ترجمه به یک مدار فیزیکی انتخاب شده اند. این به وضوح یک فیلتر کم گذر است ، بر اساس نمودار فرکانس پاسخ در تصویر دوم ، زیرا فقط سیگنال زیر فرکانس قطع در 5 ولت می تواند عبور کند و با نزدیک شدن فرکانس به فرکانس قطع ، ولتاژ کاهش می یابد.

مرحله 4: مرحله 4: فیلتر High Pass

دومین جزء غیرفعال برای مدار نوار قلب ، فیلتر بالا گذر است. فیلتر با گذر بالا فیلتری است که اجازه می دهد هر فرکانسی بزرگتر از فرکانس قطع از آن عبور کند. برای این جزء ، فرکانس قطع 0.05 هرتز خواهد بود. بار دیگر 0.05 هرتز انتهای پایینی محدوده سیگنالهای نوار قلب است [2]. با وجود اینکه مقدار آن بسیار کوچک است ، برای فیلتر کردن هرگونه تغییر ولتاژ در سیگنال ، هنوز باید یک فیلتر با گذر بالا وجود داشته باشد. بنابراین ، فیلتر با گذر بالا همچنان در طراحی مدار ضروری است ، حتی اگر فرکانس قطع آن بسیار کم باشد.

معادله فرکانس قطع همان فیلتر برش کم گذر ، f = 1 / (2 * pi * R * C) است. مقدار مقاومت روی 50 کیلو وات تنظیم شده و فرکانس قطع مورد نظر 0.05 هرتز است [8]. با استفاده از آن اطلاعات ، مقدار خازن تا 63 µF محاسبه شد. اولین تصویر برای این مرحله فیلتر گذر بالا با مقادیر مناسب است.

AC Sweep Analysis دومین فیلتر است. مانند فیلتر پایین گذر ، با نزدیک شدن فرکانس سیگنال به فرکانس قطع ، ولتاژ خروجی کاهش می یابد. برای فیلتر گذر بالا ، فرکانس قطع مورد نظر 0.05 هرتز و فرکانس قطع شبیه سازی شده 0.0505 هرتز است. این مقدار با استفاده از معادله فرکانس قطع کم گذر محاسبه شد. درصد خطا برای این جزء 1 است. این درصد خطای قابل قبول است.

مرحله 5: مرحله 5: مدار کامل

کل مدار با اتصال چهار جزء ، تقویت کننده ابزار ، فیلتر ناچ ، فیلتر کم گذر و فیلتر گذر بالا ، به صورت سری ساخته می شود. نمودار کامل مدار در اولین تصویر برای این مرحله نشان داده شده است.

پاسخ شبیه سازی شده در شکل دوم همانطور که انتظار می رفت بر اساس انواع اجزای مورد استفاده برای این مدار عمل می کند ، عمل می کند. مداری که طراحی شده است نویز را در دو حد پایین و فوقانی سیگنال ECG فیلتر می کند و همچنین نویز را از خطوط برق با موفقیت فیلتر می کند. فیلتر کم گذر سیگنال زیر فرکانس قطع را با موفقیت حذف می کند. همانطور که در نمودار پاسخ فرکانس نشان داده شده است ، در 01/0 هرتز ، سیگنال در 1 ولت عبور می کند ، مقداری که 5 برابر کمتر از خروجی مورد نظر است. با افزایش فرکانس ، ولتاژ خروجی نیز افزایش می یابد تا زمانی که در 0.1 هرتز به قله خود برسد. پیک در حدود 5 ولت است که با افزایش 1000 برای تقویت کننده ابزار اندازه گیری می شود. سیگنال از 5 ولت شروع می شود که از 10 هرتز شروع می شود. تا زمانی که فرکانس 60 هرتز باشد ، هیچ سیگنالی از مدار خارج نمی شود. این هدف از فیلتر ناچ بود و به منظور مقابله با تداخل خطوط برق بود. پس از فرکانس فراتر رفتن از 60 هرتز ، ولتاژ بار دیگر با فرکانس شروع به افزایش می کند. در نهایت ، هنگامی که فرکانس به 110 هرتز می رسد ، سیگنال به اوج ثانویه تقریباً 2 ولت می رسد. از آنجا ، خروجی به دلیل فیلتر کم گذر کاهش می یابد.

مرحله 6: نتیجه گیری

هدف از این کار شبیه سازی ECG خودکار با قابلیت ثبت دقیق چرخه قلب بود. برای انجام این کار ، سیگنال آنالوگ که از بیمار گرفته شده بود باید تقویت شود و سپس فیلتر شود تا فقط سیگنال ECG را شامل شود. این امر با استفاده از تقویت کننده ابزار برای افزایش اندازه سیگنال تقریبا 1000 برابر انجام شد. سپس نویز خطوط برق باید از سیگنال حذف شود و همچنین نویز از بالا و پایین محدوده فرکانسی تعیین شده ECG. این بدان معناست که از یک فیلتر ناچ فعال و همچنین فیلترهای منفعل بالا و پایین استفاده می شود. اگرچه محصول نهایی برای این انتساب یک مدار شبیه سازی شده بود ، اما با در نظر گرفتن مقادیر استاندارد اجزای مقاومتی و خازنی که به طور معمول در دسترس هستند ، خطای قابل قبولی وجود دارد. در کل سیستم همانطور که انتظار می رفت عمل می کرد و می توانست به راحتی به یک مدار فیزیکی منتقل شود.

مرحله 7: منابع

[1] X.-L. یانگ ، G.-Z. لیو ، Y.-H. تانگ ، H. Yan ، Z. Xu ، Q. Chen ، X. Liu ، H.-H. ژانگ ، H.-B. وانگ ، و S.-H. تان ، "تاریخ ، نقاط داغ و روندهای نوار قلب" ، مجله قلب و عروق سالمندان: JGC ، ژوئیه 2015. [برخط]. موجود: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [دسترسی: 01-دسامبر -2020].

[2] L. G. Tereshchenko و M. E. Josephson ، "محتوای فراوانی و ویژگی های هدایت بطنی ،" مجله الکتروکاردیولوژی ، 2015. [آنلاین]. موجود: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [دسترسی: 01-دسامبر -2020].

[3] «تقویت کننده دیفرانسیل-تفریق کننده ولتاژ» ، آموزش های الکترونیکی پایه ، 17 مارس 2020. [برخط]. موجود: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [دسترسی: 01-دسامبر -2020].

[4] C.-H. چن ، S.-G. Pan و P. Kinget ، "ECG Measurement System" ، دانشگاه کلمبیا.

[5] S. Akwei-Sekyere ، "حذف سر و صدا در سیگنالهای پزشکی از طریق جداسازی منبع کور و تجزیه و تحلیل موجک ،" PeerJ ، 02-Jul-2015. [برخط]. موجود: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [دسترسی: 01-دسامبر -2020].

[6] "فیلترهای توقف باند فیلترهای رد نامیده می شوند" ، آموزش های الکترونیکی پایه ، 29 ژوئن -2020. [برخط]. موجود: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [دسترسی: 01-دسامبر -2020].

[7] «فیلتر کم گذر-آموزش فیلتر RC غیرفعال» ، آموزش های الکترونیکی پایه ، 01-مه -2020. [برخط]. موجود: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [دسترسی: 01-دسامبر -2020].

[8] «فیلتر High Pass-Passive RC Filter Tutorial» ، آموزش الکترونیکی پایه ، 05-مارس -2019. [برخط]. موجود: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [دسترسی: 01-دسامبر -2020].