Kredit Tambahan Projek Akhir ECG- BME 305 Automatik: 7 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:06

Elektrokardiogram (ECG atau EKG) digunakan untuk mengukur isyarat elektrik yang dihasilkan oleh jantung berdegup dan memainkan peranan besar dalam diagnosis dan prognosis penyakit kardiovaskular. Sebilangan maklumat yang diperoleh dari ECG termasuk irama degup jantung pesakit dan juga kekuatan rentak. Setiap bentuk gelombang ECG dihasilkan oleh lelaran kitaran jantung. Data dikumpulkan melalui elektrod yang diletakkan di kulit pesakit. Isyarat kemudian diperkuat dan bunyi disaring untuk menganalisis data yang ada dengan betul. Dengan menggunakan data yang dikumpulkan, penyelidik dapat bukan sahaja mendiagnosis penyakit kardiovaskular, tetapi ECG juga memainkan peranan besar dalam meningkatkan pemahaman dan pengiktirafan penyakit yang lebih jelas. Pelaksanaan ECG telah meningkatkan rawatan keadaan seperti aritmia dan iskemia [1].

Bekalan:

Instructable ini adalah untuk mensimulasikan peranti ECG maya dan oleh itu semua yang diperlukan untuk menjalankan eksperimen ini adalah komputer yang berfungsi. Perisian yang digunakan untuk simulasi berikut adalah LTspice XVII dan boleh dimuat turun dari internet.

Langkah 1: Langkah 1: Penguat Instrumentasi

Komponen pertama litar adalah penguat instrumentasi. Seperti namanya, penguat instrumentasi yang digunakan meningkatkan magnitud isyarat. Isyarat EKG yang tidak diperkuat atau ditapis kira-kira 5 mV dalam amplitud. Untuk menapis isyarat, ia perlu diperkuat. Keuntungan yang wajar untuk litar ini harus besar agar isyarat bioelektrik dapat disaring dengan betul. Oleh itu, keuntungan litar ini akan menjadi kira-kira 1000. Bentuk umum penguat instrumen dimasukkan dalam gambar untuk langkah ini [2]. Sebagai tambahan persamaan untuk keuntungan litar, nilai yang dihitung untuk setiap komponen ditunjukkan pada gambar kedua [3].

Keuntungan negatif kerana voltan dibekalkan ke pin pembalik penguat operasi. Nilai yang ditunjukkan pada gambar kedua ditemukan dengan menetapkan nilai R1, R2, R3, dan memperoleh seperti nilai yang diinginkan dan kemudian menyelesaikan untuk nilai akhir R4. Gambar ketiga untuk langkah ini adalah litar simulasi di LTspice, lengkap dengan nilai yang tepat.

Untuk menguji litar, baik secara keseluruhan dan komponen individu, analisis arus bolak-balik (AC) harus dijalankan. Bentuk analisis ini melihat besarnya isyarat ketika frekuensi berubah. Oleh itu, jenis analisis sapuan analisis AC mestilah satu dekad kerana menetapkan skala paksi-x dan lebih kondusif untuk membaca hasilnya dengan tepat. Setiap dekad, mesti ada 100 titik data. Ini akan menyampaikan tren data dengan tepat tanpa terlalu banyak program, memastikan kecekapan. Nilai frekuensi permulaan dan berhenti harus merangkumi kedua-dua frekuensi terputus. Oleh itu, frekuensi permulaan yang munasabah adalah 0,01 Hz dan frekuensi berhenti yang wajar adalah 1kHz. Untuk penguat instrumentasi, fungsi input adalah gelombang sinus dengan magnitud 5 mV. 5 mV sesuai dengan amplitud standard isyarat ECG [4]. Gelombang sinus meniru perubahan aspek isyarat ECG. Semua tetapan analisis ini, kecuali voltan input, adalah sama untuk setiap komponen.

Gambar terakhir adalah plot tindak balas frekuensi untuk penguat instrumentasi. Ini menunjukkan bahawa penguat instrumentasi dapat meningkatkan magnitud isyarat input sekitar 1000. Keuntungan yang diinginkan untuk penguat instrumentasi adalah 1000. Keuntungan penguat instrumentasi yang disimulasikan adalah 999.6, didapati menggunakan persamaan yang ditunjukkan pada foto kedua. Kesalahan peratus antara keuntungan yang diinginkan dan keuntungan eksperimen adalah 0.04%. Ini adalah jumlah ralat peratus yang boleh diterima.

Langkah 2: Langkah 2: Penapis Notch

Komponen seterusnya yang digunakan dalam litar ECG adalah penapis aktif. Penapis aktif hanyalah penapis yang memerlukan kuasa agar dapat berfungsi. Untuk tugasan ini, penapis aktif terbaik yang digunakan ialah penapis takik. Penapis takik digunakan untuk mengeluarkan isyarat pada frekuensi tunggal atau jarak frekuensi yang sangat sempit. Bagi litar ini, frekuensi yang dikeluarkan dengan penapis takik adalah 60 Hz. 60 Hz adalah frekuensi talian kuasa beroperasi dan oleh itu merupakan sumber kebisingan yang besar dengan peranti. Bunyi powerline mengganggu isyarat bioperubatan dan mengurangkan kualiti data [5]. Bentuk umum saringan takik yang digunakan untuk litar ini ditunjukkan pada foto pertama untuk langkah ini. Komponen aktif penapis takik adalah penyangga yang terpasang. Penyangga digunakan untuk mengasingkan isyarat selepas penekan takik. Oleh kerana penyangga adalah sebahagian daripada penapis dan memerlukan kuasa untuk beroperasi, penekan takik adalah komponen penapis aktif litar ini.

Persamaan bagi komponen resistif dan kapasitor pada penekan takik ditunjukkan pada foto kedua [6]. Dalam persamaan, fN adalah frekuensi yang akan dikeluarkan, iaitu 60 Hz. Seperti penguat instrumentasi, baik nilai perintang atau kapasitor dapat diatur ke nilai apa pun dan nilai lain dikira dengan persamaan yang ditunjukkan pada foto kedua. Untuk penapis ini, C diberi nilai 1 µF dan nilai selebihnya dijumpai berdasarkan nilai tersebut. Nilai kapasitor diputuskan berdasarkan kemudahan. Jadual pada foto kedua memaparkan nilai 2R, R, 2C, dan C yang digunakan.

Gambar ketiga untuk langkah ini adalah litar penapis takuk terakhir dengan nilai yang tepat. Dengan menggunakan litar itu, analisis Sapuan AC dijalankan menggunakan 5V. 5V sepadan dengan voltan selepas penguatan. Parameter analisis selebihnya sama dengan apa yang dinyatakan dalam langkah penguat instrumentasi. Plot tindak balas frekuensi ditunjukkan pada foto akhir. Dengan menggunakan nilai dan persamaan pada foto kedua, frekuensi sebenar untuk penekan takik adalah 61.2 Hz. Nilai yang diinginkan untuk saringan takik ialah 60 Hz. Dengan menggunakan persamaan ralat peratus, terdapat ralat 2% antara penapis simulasi dan penapis teori. Ini adalah jumlah ralat yang boleh diterima.

Langkah 3: Langkah 3: Penapis Lulus Rendah

Jenis bahagian terakhir yang digunakan dalam litar ini ialah penapis pasif. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, penapis pasif adalah penapis yang tidak memerlukan sumber kuasa agar dapat beroperasi. Untuk ECG, penapis lulus tinggi dan lulus rendah diperlukan untuk mengeluarkan bunyi dari isyarat dengan betul. Jenis penapis pasif pertama yang akan ditambahkan ke litar ialah penapis lulus rendah. Seperti namanya, ini membolehkan isyarat di bawah frekuensi pemotongan berlalu [7]. Untuk saringan lulus rendah, frekuensi pemotongan mestilah had atas julat isyarat. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, julat atas isyarat ECG adalah 150 Hz [2]. Dengan menetapkan had atas, bunyi dari isyarat lain tidak digunakan dalam pemerolehan isyarat.

Persamaan bagi frekuensi pemotongan adalah f = 1 / (2 * pi * R * C). Seperti komponen litar sebelumnya, nilai untuk R dan C dapat dijumpai dengan memasukkan frekuensi dan menetapkan salah satu nilai komponen [7]. Untuk saringan lulus rendah, kapasitor ditetapkan 1 µF dan frekuensi pemotongan yang diinginkan adalah 150 Hz. Dengan menggunakan persamaan frekuensi pemotongan, nilai untuk komponen perintang dikira menjadi 1 kΩ. Gambar pertama untuk langkah ini adalah skema penapis lulus rendah lengkap.

Parameter yang sama yang ditentukan untuk saringan takik digunakan untuk Analisis Sapuan AC dari saringan lulus rendah, ditunjukkan pada gambar kedua. Untuk komponen ini, frekuensi pemotongan yang dikehendaki adalah 150Hz dan menggunakan Persamaan 3, frekuensi pemotongan simulasi adalah 159 Hz. Ini mempunyai kesalahan peratus 6%. Kesalahan peratus untuk komponen ini lebih tinggi daripada yang disukai tetapi komponen dipilih untuk memudahkan terjemahan ke litar fizikal. Ini jelas merupakan saringan lulus rendah, berdasarkan plot tindak balas frekuensi pada gambar kedua, kerana hanya isyarat di bawah frekuensi pemotongan yang dapat melepasi 5 V, dan ketika frekuensi menghampiri frekuensi pemotongan, voltan menurun.

Langkah 4: Langkah 4: Penapis Lulus Tinggi

Komponen pasif kedua untuk litar ECG adalah penapis lulus tinggi. Penapis lulus tinggi adalah penapis yang membenarkan sebarang frekuensi lebih besar daripada frekuensi pemotongan untuk dilalui. Untuk komponen ini, frekuensi pemotongan adalah 0,05 Hz. Sekali lagi 0.05 Hz adalah hujung bawah julat isyarat ECG [2]. Walaupun nilainya sangat kecil, masih perlu ada penapis lulus tinggi untuk menyaring sebarang pengimbangan voltan dalam isyarat. Oleh itu, penapis lulus tinggi masih diperlukan dalam reka bentuk litar, walaupun frekuensi pemotongannya sangat kecil.

Persamaan untuk frekuensi pemotongan adalah sama dengan penuras pemotongan lulus rendah, f = 1 / (2 * pi * R * C). Nilai perintang ditetapkan kepada 50 kΩ dan frekuensi pemotongan yang diinginkan ialah 0.05 Hz [8]. Dengan menggunakan maklumat tersebut, nilai kapasitor dikira hingga 63 µF. Gambar pertama untuk langkah ini adalah penapis lulus tinggi dengan nilai yang sesuai.

Analisis Penyapu AC adalah penapis kedua. Seperti penapis lulus rendah, kerana frekuensi isyarat mendekati frekuensi pemotongan, voltan keluaran menurun. Untuk saringan lulus tinggi, frekuensi pemotongan yang diinginkan adalah 0.05 Hz dan frekuensi pemotongan simulasi ialah 0.0505 Hz. Nilai ini dikira menggunakan persamaan frekuensi pemotongan lulus rendah. Kesalahan peratus untuk komponen ini ialah 1%. Ini adalah ralat peratus yang boleh diterima.

Langkah 5: Langkah 5: Litar Penuh

Keseluruhan litar dibina dengan menghubungkan empat komponen, penguat instrumentasi, saringan takik, saringan lulus rendah, dan penapis lulus tinggi, secara bersiri. Gambarajah litar penuh ditunjukkan pada gambar pertama untuk langkah ini.

Tindak balas simulasi yang ditunjukkan pada gambar kedua bertindak seperti yang diharapkan berdasarkan jenis komponen yang digunakan untuk litar ini. Litar yang dirancang adalah menyaring kebisingan di kedua-dua had bawah dan atas isyarat ECG serta berjaya menyaring bunyi dari talian kuasa. Penapis lulus rendah berjaya mengeluarkan isyarat di bawah frekuensi pemotongan. Seperti yang ditunjukkan dalam plot tindak balas Frekuensi, pada 0,01 Hz, isyarat dilalui pada 1 V, nilai yang 5 kali lebih rendah daripada output yang diinginkan. Apabila frekuensi meningkat voltan output juga meningkat sehingga mencapai puncaknya pada 0.1 Hz. Puncaknya sekitar 5 V, yang diselaraskan dengan kenaikan 1000 untuk penguat instrumentasi. Isyarat menurun dari 5 V bermula pada 10 Hz. Pada saat frekuensi 60 Hz, tidak ada isyarat yang dikeluarkan oleh litar. Ini adalah tujuan penyaring takik dan dimaksudkan untuk mengatasi gangguan saluran kuasa. Setelah frekuensi melebihi 60 Hz, voltan sekali lagi mula meningkat dengan frekuensi. Akhirnya, setelah frekuensi mencapai 110 Hz, isyarat mencapai puncak sekunder kira-kira 2 V. Dari situ, output menurun kerana penapis lulus rendah.

Langkah 6: Kesimpulannya

Tujuan tugasan ini adalah untuk mensimulasikan ECG automatik yang mampu merekodkan kitaran jantung dengan tepat. Untuk melakukan ini, isyarat analog yang akan diambil dari pesakit perlu diperkuat dan kemudian disaring untuk hanya memasukkan isyarat ECG. Ini dicapai dengan menggunakan penguat instrumentasi terlebih dahulu untuk meningkatkan magnitud isyarat kira-kira 1000 kali. Maka kebisingan talian kuasa perlu dikeluarkan dari isyarat serta bunyi dari atas dan bawah julat frekuensi ECG yang ditentukan. Ini bermaksud menggabungkan penapis tak aktif serta penapis lulus tinggi dan rendah pasif. Walaupun produk akhir untuk tugasan ini adalah litar simulasi, masih terdapat ralat yang dapat diterima, dengan mempertimbangkan nilai standard untuk komponen resistif dan kapasitif yang biasanya ada. Lebih dari semua sistem dijalankan seperti yang diharapkan dan dapat ditransisikan ke rangkaian fizikal dengan lebih mudah.

Langkah 7: Sumber

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang, dan S.-H. Tan, "Sejarah, titik panas, dan trend elektrokardiogram," Jurnal kardiologi geriatrik: JGC, Jul-2015. [Dalam talian]. Terdapat: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Diakses: 01-Dec-2020].

[2] L. G. Tereshchenko dan M. E. Josephson, "Kandungan frekuensi dan ciri-ciri konduksi ventrikel," Jurnal elektrokardiologi, 2015. [Dalam talian]. Terdapat: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Diakses: 01-Dec-2020].

[3] "Penguat Pembezaan - Pengurang Voltan," Tutorial Elektronik Asas, 17-Mar-2020. [Dalam talian]. Terdapat: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Diakses: 01-Dec-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan, dan P. Kinget, "Sistem Pengukuran ECG," Columbia University.

[5] S. Akwei-Sekyere, "Penghapusan kebisingan powerline dalam isyarat bioperubatan melalui pemisahan sumber buta dan analisis gelombang," PeerJ, 02-Jul-2015. [Dalam talian]. Terdapat: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Diakses: 01-Dec-2020].

[6] "Band Stop Filter disebut Reject Filters," Tutorial Elektronik Asas, 29-Jun-2020. [Dalam talian]. Terdapat: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Diakses: 01-Dec-2020].

[7] "Penapis Lulus Rendah - Tutorial Penapis RC Pasif," Tutorial Elektronik Asas, 01-Mei-2020. [Dalam talian]. Terdapat: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Diakses: 01-Dec-2020].

[8] "High Pass Filter - Passive RC Filter Tutorial," Tutorial Elektronik Asas, 05-Mar-2019. [Dalam talian]. Terdapat: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Diakses: 01-Dec-2020].