Avtomatlaşdırılmış EKQ- BME 305 Final Layihəsi Əlavə Kredit: 7 Addım

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:42

Ürək döyüntüsünün yaratdığı elektrik siqnallarını ölçmək üçün elektrokardioqram (EKQ və ya EKQ) istifadə olunur və ürək -damar xəstəliklərinin diaqnozu və proqnozunda böyük rol oynayır. EKQ -dən əldə edilən bəzi məlumatlar xəstənin ürək atışlarının ritmini və vuruşunun gücünü ehtiva edir. Hər bir EKQ dalğa forması ürək dövrünün təkrarlanması ilə əmələ gəlir. Məlumat xəstənin dərisinə yerləşdirilən elektrod vasitəsilə toplanır. Daha sonra siqnal gücləndirilir və mövcud məlumatları düzgün təhlil etmək üçün səs -küy süzülür. Toplanan məlumatlardan istifadə edərək tədqiqatçılar nəinki ürək -damar xəstəliklərini tanıya bilirlər, həm də EKQ daha anlaşılmaz xəstəliklərin anlaşılmasını və tanınmasını artırmaqda böyük rol oynayır. EKQ -nin tətbiqi aritmiya və iskemi kimi şərtlərin müalicəsini xeyli yaxşılaşdırdı [1].

Təchizat:

Bu Təlimat virtual EKQ cihazını simulyasiya etmək üçündür və buna görə də bu təcrübəni aparmaq üçün lazım olan hər şey işləyən bir kompüterdir. Aşağıdakı simulyasiyalar üçün istifadə olunan proqram LTspice XVII -dir və onu internetdən yükləmək olar.

Addım 1: Adım 1: Cihaz Gücləndiricisi

Dövrün ilk komponenti bir alət gücləndiricisidir. Adından da göründüyü kimi, siqnalın gücünü artırmaq üçün cihaz gücləndiricisindən istifadə olunur. Gücləndirilməyən və ya süzülməyən bir EKQ siqnalı təxminən 5 mV amplitüddədir. Siqnalın süzülməsi üçün onu gücləndirmək lazımdır. Bioelektrik siqnalının uyğun bir şəkildə süzülməsi üçün bu dövrənin ağlabatan qazancının böyük olması lazımdır. Buna görə də, bu dövrənin qazancı təxminən 1000 olacaq. Bir alət gücləndiricisinin ümumi forması bu addımın şəkillərinə daxil edilmişdir [2]. Dövrə mənfəətinin tənlikləri, hər bir komponent üçün hesablanmış dəyərlər ikinci görüntüdə göstərilmişdir [3].

Mənfəət mənfi olur, çünki gərginlik əməliyyat gücləndiricisinin ters pininə verilir. İkinci görüntüdə göstərilən dəyərlər, R1, R2, R3 və qazanc dəyərlərini istədiyiniz dəyərlər olaraq təyin edərək sonra R4 son dəyəri üçün həll edərək tapıldı. Bu addım üçün üçüncü görüntü, dəqiq dəyərlərlə tamamlanan LTspice -dəki simulyasiya edilmiş sxemdir.

Dövrü həm bütövlükdə, həm də ayrı -ayrı komponentlər olaraq yoxlamaq üçün alternativ cərəyan (AC) təhlili aparılmalıdır. Bu analiz forması, tezliklər dəyişdikcə siqnalın böyüklüyünə baxır. Buna görə, AC təhlili süpürgəsinin analiz növü on il olmalıdır, çünki x oxu ölçüsünü təyin edir və nəticələrin dəqiq oxunması üçün daha əlverişlidir. On ildə 100 məlumat nöqtəsi olmalıdır. Bu, proqramdakı həddindən artıq işləmədən məlumatların tendensiyalarını dəqiq şəkildə çatdıracaq, səmərəliliyi təmin edəcək. Başlama və dayandırma tezliyi dəyərləri hər iki kəsmə tezliyini əhatə etməlidir. Buna görə ağlabatan bir başlanğıc tezliyi 0.01 Hz və ağlabatan bir dayanma tezliyi 1kHz -dir. Alət gücləndiricisi üçün giriş funksiyası 5 mV böyüklüyündə bir sinus dalğasıdır. 5 mV, EKQ siqnalının standart amplitüdünə uyğundur [4]. Sinus dalğası EKQ siqnalının dəyişən tərəflərini təqlid edir. Giriş gərginliyi istisna olmaqla, bütün bu analiz parametrləri hər bir komponent üçün eynidır.

Son görüntü, cihaz gücləndiricisinin tezlik reaksiyasıdır. Bu, cihaz gücləndiricisinin giriş siqnalının böyüklüyünü təxminən 1000 artıra biləcəyini göstərir. Alət gücləndiricisi üçün arzu edilən qazanc 1000 idi. Simulyasiya edilmiş cihaz gücləndiricisinin qazancı 999.6 -dır, ikinci fotoda göstərilən tənlikdən istifadə etməklə tapılmışdır. İstənilən mənfəətlə eksperimental qazanc arasındakı səhv xətası 0.04%-dir. Bu qəbul edilə bilən bir faiz səhvidir.

Adım 2: Adım 2: Çentik Filtri

EKQ dövrəsində istifadə olunan növbəti komponent aktiv filtrdir. Aktiv bir filtr, işləməsi üçün güc tələb edən bir filtrdir. Bu tapşırıq üçün istifadə ediləcək ən yaxşı aktiv filtr çentikli bir filtrdir. Çentik filtri tək bir tezlikdə və ya çox dar bir tezlik aralığında siqnalı çıxarmaq üçün istifadə olunur. Bu dövrə vəziyyətində, bir çentik filtri ilə çıxarılacaq tezlik 60 Hz -dir. 60 Hz, elektrik xətlərinin işlədiyi tezlikdir və buna görə də cihazlarla böyük bir səs -küy mənbəyidir. Powerline səs -küyü biomedikal siqnalları təhrif edir və məlumatların keyfiyyətini azaldır [5]. Bu dövrə üçün istifadə olunan çentik filtrinin ümumi forması bu addım üçün ilk fotoşəkildə göstərilmişdir. Çentik filtrinin aktiv komponenti əlavə edilmiş tampondur. Tampon, çentik filtrindən sonra siqnalı təcrid etmək üçün istifadə olunur. Tampon filtrin bir hissəsidir və işləmək üçün gücə ehtiyacı olduğu üçün çentik filtri bu dövrənin aktiv filtr komponentidir.

Çentik filtrinin rezistiv və kondansatör komponentləri üçün tənlik ikinci fotoda göstərilmişdir [6]. Tənlikdə, fN, 60 Hz olan çıxarılacaq tezlikdir. Cihaz gücləndiricisində olduğu kimi, ya rezistor, ya da kondansatör dəyəri hər hansı bir dəyərə və digər fotoşəkildə göstərilən tənlik ilə hesablana bilər. Bu filtr üçün C -yə 1 µF dəyər verildi və qalan dəyərlər bu dəyərə əsasən tapıldı. Kondansatörün dəyəri rahatlığa əsaslanaraq qərar verildi. İkinci fotodakı cədvəldə istifadə olunan 2R, R, 2C və C dəyərləri göstərilir.

Bu addım üçün üçüncü görüntü, dəqiq dəyərləri olan son çentik filtr dövrəsidir. Bu dövrəni istifadə edərək, 5V istifadə edərək AC Süpürmə təhlili aparıldı. 5V gücləndirildikdən sonra gərginliyə uyğundur. Qalan analiz parametrləri cihaz gücləndirici addımında göstərilənlərlə eynidır. Tezlik cavab planı son fotoda göstərilmişdir. İkinci fotoşəkildəki dəyərləri və tənlikləri istifadə edərək, çentik filtrinin əsl tezliyi 61.2 Hz -dir. Çentik filtri üçün istədiyiniz dəyər 60 Hz idi. Yüzdə səhv tənliyindən istifadə edərək, simulyasiya edilmiş filtrlə nəzəri filtr arasında 2% səhv var. Bu qəbul edilə bilən bir səhvdir.

Addım 3: Adım 3: Aşağı keçid filtri

Bu dövrədə istifadə olunan son hissə passiv filtrdir. Daha əvvəl də qeyd edildiyi kimi, passiv filtr işlək vəziyyətdə olması üçün enerji mənbəyi tələb etməyən bir filtrdir. EKQ üçün, siqnaldakı səs -küyü düzgün şəkildə aradan qaldırmaq üçün həm yüksək keçid, həm də aşağı keçid filtrinə ehtiyac var. Dövrə əlavə ediləcək ilk passiv filtr növü aşağı ötürmə filtridir. Adından da göründüyü kimi, bu əvvəlcə kəsilmə tezliyinin altındakı siqnalın keçməsinə imkan verir [7]. Aşağı keçid filtri üçün kəsmə tezliyi siqnal aralığının yuxarı həddi olmalıdır. Daha əvvəl də qeyd edildiyi kimi, EKQ siqnalının yuxarı diapazonu 150 Hz -dir [2]. Üst həddi təyin etməklə digər siqnallardan gələn səs -küy siqnal alınmasında istifadə edilmir.

Kəsmə tezliyi üçün tənlik f = 1 / (2 * pi * R * C) dir. Əvvəlki dövrə komponentlərində olduğu kimi, R və C üçün dəyərlər tezliyi bağlayaraq və komponent dəyərlərindən birini təyin edərək tapıla bilər [7]. Aşağı keçid filtri üçün kondansatör 1 μF olaraq təyin edildi və istənilən kəsmə tezliyi 150 Hz -dir. Kəsmə tezliyi tənliyindən istifadə edərək rezistor komponentinin dəyəri 1 kΩ hesablanır. Bu addım üçün ilk görüntü, aşağı keçid filtrinin tam sxemidir.

Çentik filtri üçün təyin olunan eyni parametrlər, ikinci görüntüdə göstərilən aşağı keçid filtrinin AC Süpürmə Analizi üçün istifadə olunur. Bu komponent üçün istənilən kəsmə tezliyi 150 Hzdir və 3 -cü tənlikdən istifadə edərək simulyasiya olunmuş kəsmə tezliyi 159 Hz -dir. Bunun 6%-lik səhv xətası var. Bu komponent üçün səhv xətası üstünlük veriləndən daha yüksəkdir, lakin komponentlər fiziki dövrə asanlıqla tərcümə olunmaq üçün seçilmişdir. Bu, açıq şəkildə ikinci görüntüdəki tezlik reaksiyasına əsaslanan aşağı ötürmə filtridir, çünki yalnız kəsmə tezliyinin altındakı siqnal 5 V -də keçə bilir və tezlik kəsilmə tezliyinə yaxınlaşdıqca gərginlik azalır.

Adım 4: Adım 4: Yüksək keçid filtri

EKQ dövrəsi üçün ikinci passiv komponent yüksək keçid filtridir. Yüksək keçid filtri, kəsilmə tezliyindən böyük olan hər hansı bir tezliyin keçməsinə imkan verən bir filtrdir. Bu komponent üçün kəsmə tezliyi 0,05 Hz olacaq. Bir daha 0.05 Hz, EKQ siqnallarının diapazonunun aşağı ucudur [2]. Dəyər çox kiçik olsa da, siqnaldakı hər hansı bir gərginlik ofsetini süzmək üçün hələ də yüksək keçid filtrinin olması lazımdır. Buna görə də, kəsmə tezliyi çox kiçik olsa da, dövrə dizaynında hələ də yüksək keçid filtrinə ehtiyac var.

Kesim tezliyi üçün tənlik, aşağı keçid kəsmə filtri ilə eynidir, f = 1 / (2 * pi * R * C). Rezistorun dəyəri 50 kΩ olaraq təyin edildi və istənilən kəsmə tezliyi 0,05 Hz -dir [8]. Bu məlumatlardan istifadə edərək kondansatörün dəyəri 63 µF -ə hesablanmışdır. Bu addım üçün ilk görüntü, uyğun dəyərləri olan yüksək keçid filtridir.

AC Süpürmə Analizi ikinci filtrdir. Aşağı keçid filtri kimi, siqnalın tezliyi kəsilmə tezliyinə yaxınlaşdıqca çıxış gərginliyi azalır. Yüksək keçid filtri üçün istənilən kəsmə tezliyi 0,05 Hz və simulyasiya olunmuş kəsmə tezliyi 0,0505 Hz -dir. Bu dəyər aşağı keçid kəsmə tezliyi tənliyindən istifadə etməklə hesablanmışdır. Bu komponent üçün səhv xətası 1%-dir. Bu məqbul bir faiz səhvidir.

Addım 5: Adım 5: Tam Dövrə

Bütün dövrə dörd komponenti, alət gücləndiricisini, çentik filtrini, aşağı keçid filtrini və yüksək keçid filtrini ardıcıl olaraq birləşdirərək qurulur. Tam dövrə diaqramı bu addım üçün ilk şəkildə göstərilmişdir.

İkinci rəqəmdə göstərilən simulyasiya edilmiş cavab, bu sxem üçün istifadə olunan komponentlərin növlərinə əsaslanacağı gözlənilir. Dizayn edilən sxem, EKQ siqnalının həm aşağı, həm də yuxarı sərhədlərindəki səs -küyü süzməklə yanaşı elektrik xətlərindən gələn səsləri uğurla süzməkdir. Aşağı keçid filtri, kəsilmə tezliyinin altındakı siqnalı uğurla aradan qaldırır. Frekans cavabında göstərildiyi kimi, 0.01 Hz -də, siqnal 1 V -da ötürülür ki, bu da istənilən çıxışdan 5 dəfə azdır. Tezlik artdıqca çıxış gərginliyi də 0.1 Hz zirvələrinə çatana qədər artır. Alət gücləndiricisi üçün 1000 qazancla uyğunlaşdırılan pik 5 V civarındadır. Siqnal 10 Hz -dən başlayaraq 5 V -dan azalır. 60 Hz tezliyində dövrə tərəfindən heç bir siqnal çıxmır. Çentik filtrinin məqsədi və elektrik xətlərinin müdaxiləsinə qarşı çıxmaq idi. Tezlik 60 Hz -ni keçdikdən sonra gərginlik yenidən tezliklə artmağa başlayır. Nəhayət, tezlik 110 Hz -ə çatdıqda siqnal təxminən 2 V -lik ikincil zirvəyə çatır. Buradan aşağı keçid filtrinə görə çıxış azalır.

Addım 6: Nəticə

Bu tapşırığın məqsədi ürək dövrünü dəqiq qeyd edə bilən avtomatlaşdırılmış EKQ -ni simulyasiya etmək idi. Bunu etmək üçün bir xəstədən alınacaq analoq siqnalın gücləndirilməsi və sonra yalnız EKQ siqnalı daxil olması üçün süzülməsi lazım idi. Bu, əvvəlcə siqnalın gücünü təxminən 1000 dəfə artırmaq üçün bir cihaz gücləndiricisini istifadə etməklə həyata keçirildi. Sonra elektrik xətlərinin səs -küyünün siqnaldan, həmçinin EKQ -nin təyin olunmuş tezlik aralığının yuxarıdan və altından çıxarılması lazım idi. Bu, aktiv bir çentik filtrinin, habelə passiv yüksək və aşağı keçid filtrlərinin daxil edilməsi demək idi. Bu tapşırıq üçün son məhsul simulyasiya edilmiş bir dövrə olmasına baxmayaraq, normal olaraq mövcud olan rezistiv və kapasitiv komponentlər üçün standart dəyərlər nəzərə alınmaqla hələ də bəzi məqbul səhvlər var idi. Bütün sistemlər gözlənildiyi kimi yerinə yetirildi və asanlıqla fiziki bir dövrə keçə bildi.

Addım 7: Resurslar

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang və S.-H. Tan, "Elektrokardioqramın tarixi, qaynar nöqtələri və meylləri", Geriatrik kardiologiya jurnalı: JGC, Jul-2015. [Onlayn]. Mövcud: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Erişildi: 01-Dekabr 2020].

[2] L. G. Tereshchenko və M. E. Josephson, "Ventrikulyar keçiriciliyin tezliyi və xüsusiyyətləri", Elektrokardiologiya jurnalı, 2015. [Online]. Mövcud: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Erişildi: 01-Dekabr 2020].

[3] "Diferensial Gücləndirici-Gərginlik Çıxarıcısı", Əsas Elektronika Dərsləri, 17-Mart-2020. [Onlayn]. Mövcud: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Erişildi: 01-Dekabr-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan və P. Kinget, "EKQ Ölçmə Sistemi", Kolumbiya Universiteti.

[5] S. Akwei-Sekyere, "Kor mənbəyi ayırma və dalğa analizi yolu ilə biomedikal siqnallarda Powerline səs-küyünün aradan qaldırılması", PeerJ, 02-Jul-2015. [Onlayn]. Mövcud: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Erişildi: 01-Dekabr-2020].

[6] "Band Stop Filtrlərinə Rədd Filtrləri deyilir" Əsas Elektronika Dərsləri, 29-İyun 2020. [Onlayn]. Mövcud: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Erişildi: 01-Dekabr-2020].

[7] "Aşağı Keçid Filtri-Pasif RC Filtri Dərsliyi", Əsas Elektronika Dərsləri, 01-May-2020. [Onlayn]. Mövcuddur: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Erişildi: 01-Dekabr-2020].

[8] "Yüksək Süzgəc Filtri-Passiv RC Filtr Dərsliyi", Əsas Elektronika Dərsləri, 05-Mar-2019. [Onlayn]. Mövcud: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Erişildi: 01-Dekabr-2020].