ECG אוטומטי- פרויקט גמר BME 305 אשראי נוסף: 7 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:11

אלקטרוקרדיוגרמה (א.ק.ג או EKG) משמשת למדידת האותות החשמליים המופקים על ידי לב פועם והיא ממלאת תפקיד גדול באבחון ובפרוגנוזה של מחלות לב וכלי דם. חלק מהמידע המתקבל מא.ק.ג כולל את קצב פעימות הלב של המטופל וכן את עוצמת הפעימה. כל צורת גל א.ק.ג נוצרת על ידי איטרציה של מחזור הלב. הנתונים נאספים באמצעות אלקטרודה המונחת על עור המטופל. האות מועצם ואז הרעש מסונן החוצה על מנת לנתח כראוי את הנתונים הקיימים. השימוש בנתונים שנאספים החוקרים מסוגלים לא רק לאבחן מחלות לב וכלי דם, אלא גם לאק"ג היה תפקיד גדול בהגברת ההבנה וההכרה של מחלות לא ברורות יותר. יישום א.ק.ג שיפר מאוד את הטיפול במצבים כגון הפרעות קצב ואיסכמיה [1].

אספקה:

מדריך זה מיועד להדמיית מכשיר א.ק.ג וירטואלי ולכן כל מה שנדרש לביצוע ניסוי זה הוא מחשב עובד. התוכנה המשמשת את ההדמיות הבאות היא LTspice XVII וניתן להוריד אותה מהאינטרנט.

שלב 1: שלב 1: מגבר מכשור

המרכיב הראשון במעגל הוא מגבר מכשור. כפי שהשם מרמז, מגבר המכשור משמש להגדלת גודל האות. אות א.ק.ג שאינו מוגבר או מסונן הוא בעוצמה של בערך 5 mV. על מנת לסנן את האות, יש להגביר אותו. רווח סביר למעגל זה יצטרך להיות גדול על מנת שהסין הביו -אלקטרי יסנן כראוי. לכן, הרווח של מעגל זה יהיה כ -1000. הצורה הכללית של מגבר מכשור כלולה בתמונות לשלב זה [2]. בנוסף למשוואות הרווח של המעגל, הערכים שחושבו עבור כל רכיב מוצגים בתמונה השנייה [3].

הרווח שלילי מכיוון שהמתח מסופק לסיכה ההפוכה של המגבר התפעולי. הערכים המוצגים בתמונה השנייה נמצאו על ידי הגדרת הערכים R1, R2, R3, ורווח כערכים רצויים ולאחר מכן פתרון לערך הסופי R4. התמונה השלישית לשלב זה היא המעגל המדומה ב- LTspice, הכולל ערכים מדויקים.

על מנת לבדוק את המעגל, הן כמכלול והן כרכיבים בודדים, יש להפעיל ניתוח זרם חילופין (AC). צורת ניתוח זו בוחנת את גודל האות כאשר התדרים משתנים. לכן, סוג הניתוח של מטאטא ניתוח AC צריך להיות עשור מכיוון שהוא קובע את קנה המידה של ציר ה- x ותורם יותר לקריאה מדויקת של התוצאות. בעשור, אמורות להיות 100 נקודות נתונים. זה יעביר במדויק את המגמות בנתונים מבלי לעבוד יתר על המידה על התוכנית, ויבטיח יעילות. ערכי תדר ההתחלה והעצירה צריכים לכלול את שני תדרי הניתוק. לכן, תדר התחלה סביר הוא 0.01 הרץ ותדר עצירה סביר הוא 1 קילוהרץ. עבור מגבר המכשור, פונקציית הקלט היא גל סינוס בעוצמה של 5 mV. 5 mV תואם את המשרעת הסטנדרטית של אות אק"ג [4]. גל סינוס מחקה את ההיבטים המשתנים של אות א.ק.ג. כל הגדרות הניתוח האלה, למעט מתח הכניסה, זהות לכל רכיב.

התמונה הסופית היא עלילת תגובת התדרים של מגבר המכשור. זה מראה שמגבר המכשור מסוגל להגדיל את גודל אות הכניסה בכ -1000. הרווח הרצוי למגבר המכשור היה 1000. הרווח של מגבר המכשור המדומה הוא 999.6, נמצא באמצעות המשוואה המוצגת בתמונה השנייה. אחוז הטעות בין הרווח הרצוי לרווח הניסיוני הוא 0.04%. זו כמות מקובלת של שגיאה באחוזים.

שלב 2: שלב 2: מסנן חריץ

הרכיב הבא המשמש במעגל הא.ק.ג הוא מסנן פעיל. מסנן פעיל הוא רק מסנן הדורש כוח כדי לתפקד. למשימה זו, המסנן הפעיל הטוב ביותר לשימוש הוא מסנן חריץ. מסנן חריץ משמש להסרת האות בתדר יחיד או בטווח צר מאוד של תדרים. במקרה של מעגל זה, התדר שיש להסיר באמצעות מסנן חריץ הוא 60 הרץ. 60 הרץ הוא התדר שבו קווי החשמל פועלים ולכן הוא מקור רעש גדול עם מכשירים. רעש Powerline מעוות אותות ביו -רפואיים ומפחית את איכות הנתונים [5]. הצורה הכללית של מסנן החריץ המשמש למעגל זה מוצגת בתמונה הראשונה לשלב זה. המרכיב הפעיל של מסנן החריץ הוא המאגר המחובר. המאגר משמש לבידוד האות לאחר מסנן החריץ. מכיוון שהמאגר הוא חלק מהמסנן והוא זקוק לכוח להפעלה, מסנן החריץ הוא רכיב המסנן הפעיל במעגל זה.

המשוואה לרכיבי ההתנגדות והקבלים של מסנן החריץ מוצגת בתמונה השנייה [6]. במשוואה, fN הוא התדר שיש להסיר, שהוא 60 הרץ. כמו מגבר המכשור, ניתן להגדיר את ערך הנגד או הקבל לכל ערך ואת הערך האחר המחושב על ידי המשוואה המוצגת בתמונה השנייה. עבור מסנן זה, ל- C הוקצה ערך של 1 µF ושאר הערכים נמצאו בהתבסס על ערך זה. ערך הקבל הוחלט על בסיס נוחות. הטבלה בתמונה השנייה מציגה את הערכים של 2R, R, 2C ו- C בהם נעשה שימוש.

התמונה השלישית לשלב זה היא מעגל מסנן החריצים הסופי עם ערכים מדויקים. באמצעות מעגל זה, ניתוח AC Sweep בוצע באמצעות 5V. 5V מתכתב עם המתח לאחר הגברה. שאר פרמטרי הניתוח זהים לאמור בשלב מגבר המכשור. עלילת תגובת התדר מוצגת בתמונה הסופית. באמצעות הערכים והמשוואות בתמונה השנייה, התדירות האמיתית של מסנן החריץ היא 61.2 הרץ. הערך הרצוי למסנן החריץ היה 60 הרץ. באמצעות משוואת השגיאות באחוזים, יש שגיאה של 2% בין המסנן המדומה למסנן התיאורטי. זו כמות טעות מקובלת.

שלב 3: שלב 3: מסנן Low Pass

סוג החלק האחרון המשמש במעגל זה הוא המסנן הפסיבי. כפי שצוין לעיל, מסנן פסיבי הוא מסנן שאינו דורש מקור חשמל על מנת לפעול. לצורך א.ק.ג, יש צורך גם במעבר גבוה וגם במסנן מעבר נמוך כדי להסיר כראוי את הרעש מהאות. הסוג הראשון של מסנן פסיבי המתווסף למעגל הוא מסנן נמוך. כפי שהשם מרמז, הדבר הראשון מאפשר לאות מתחת לתדר החיתוך לעבור [7]. עבור מסנן המעבר הנמוך, תדירות הניתוק צריכה להיות הגבול העליון של טווח האות. כפי שצוין לעיל, הטווח העליון של אות הא.ק.ג הוא 150 הרץ [2]. על ידי הגדרת גבול עליון, רעש מאותות אחרים אינו משמש ברכישת אותות.

המשוואה לתדירות הניתוק היא f = 1 / (2 * pi * R * C). בדומה לרכיבי המעגל הקודמים, ניתן למצוא את הערכים עבור R ו- C על ידי חיבור התדר והגדרת אחד מערכי הרכיב [7]. עבור מסנן המעבר הנמוך, הקבל נקבע על 1 µF ותדירות הניתוק הרצויה היא 150 הרץ. באמצעות משוואת תדר הניתוק, הערך של רכיב הנגד מחושב ל- 1 kΩ. התמונה הראשונה לשלב זה היא סכמטית מלאה של מסנן נמוך.

אותם פרמטרים המוגדרים למסנן החריץ משמשים לניתוח AC Sweep של מסנן ה- low pass, המוצג בתמונה השנייה. עבור רכיב זה, תדר הניתוק הרצוי הוא 150 הרץ ושימוש במשוואה 3, תדר הקיצוץ המדומה הוא 159 הרץ. יש לזה אחוז שגיאה של 6%. אחוז השגיאה ברכיב זה גבוה מהמועדף אך הרכיבים נבחרו על מנת להקל על התרגום למעגל פיזי. זהו בבירור מסנן מעבר נמוך, המבוסס על עלילת תגובת התדרים בתמונה השנייה, שכן רק האות מתחת לתדר החיתוך מסוגל לעבור ב -5 V, וככל שהתדר התקרב לתדר הניתוק, המתח יורד.

שלב 4: שלב 4: מסנן High Pass

הרכיב הפסיבי השני למעגל הא.ק.ג הוא מסנן המעבר הגבוה. מסנן מעבר גבוה הוא מסנן המאפשר לעבור כל תדר גדול מתדר החיתוך. עבור רכיב זה, תדר החיתוך יהיה 0.05 הרץ. שוב 0.05 הרץ הוא הקצה התחתון של טווח אותות הא.ק.ג [2]. למרות שהערך כל כך קטן, עדיין צריך להיות מסנן מעבר גבוה כדי לסנן את כל קיזוז המתח באות. לכן, מסנן המעבר הגבוה עדיין נחוץ בתוך עיצוב המעגל, למרות שתדירות הניתוק כה קטנה.

המשוואה לתדירות החיתוך זהה למסנן הניתוק הנמוך, f = 1 / (2 * pi * R * C). ערך הנגד הוגדר ל- 50 kΩ ותדירות הניתוק הרצויה היא 0.05 הרץ [8]. באמצעות מידע זה, ערך הקבל חושב ל- 63 µF. התמונה הראשונה לשלב זה היא מסנן המעבר הגבוה עם הערכים המתאימים.

ניתוח טאטא AC הוא המסנן השני. בדומה למסנן המעבר הנמוך, כאשר תדר האות מתקרב לתדר הניתוק, מתח היציאה יורד. עבור מסנן המעבר הגבוה, תדירות הניתוק הרצויה היא 0.05 הרץ ותדירות החיתוך המדומה היא 0.0505 הרץ. ערך זה חושב באמצעות משוואת תדירות הניתוק הנמוכה. אחוז השגיאה ברכיב זה הוא 1%. זוהי טעות מקובלת באחוזים.

שלב 5: שלב 5: מעגל מלא

המעגל כולו בנוי על ידי חיבור ארבעת הרכיבים, מגבר האבזור, מסנן החריץ, מסנן הנמוך ומסנן המעבר הגבוה, בסדרה. תרשים המעגל המלא מוצג בתמונה הראשונה לשלב זה.

התגובה המדומה המוצגת באיור השני פועלת כפי שהיא צפויה להתבסס על סוגי הרכיבים המשמשים עבור מעגל זה. המעגל המתוכנן מסנן רעש בגבולות התחתונים והעליונים של אות הא.ק.ג. כמו כן מסנן בהצלחה רעש מקווי מתח. מסנן ה- low pass מסיר בהצלחה את האות מתחת לתדר הניתוק. כפי שמוצג בעלילת תגובת התדר, ב 0.01 הרץ, האות מועבר ב 1 V, ערך שהוא פי 5 מהפלט הרצוי. ככל שהתדר עולה, מתח המוצא גם עולה עד שמגיע לשיאיו ב 0.1 הרץ. השיא הוא סביב 5 V, אשר מיושר עם רווח של 1000 עבור מגבר המכשור. האות פוחת מ -5 V החל מ -10 הרץ. עד שהתדר הוא 60 הרץ, אין אות שמוצא על ידי המעגל. זו הייתה מטרתו של מסנן החריצים והוא נועד להתנגד להפרעה של קווי החשמל. לאחר שהתדר עולה על 60 הרץ, המתח שוב מתחיל לעלות עם התדר. לבסוף, ברגע שהתדר מגיע ל -110 הרץ האות מגיע כשיא משני של בערך 2 V. משם הפלט יורד בגלל מסנן הנמוך.

שלב 6: מסקנה

מטרת הקצאה זו הייתה לדמות א.ק.ג אוטומטי המסוגל להקליט במדויק את מחזור הלב. על מנת לעשות זאת, יש להגביר את האות האנלוגי שהיה נלקח מחולה ולאחר מכן לסנן אותו לכלול רק את האק ג. זה הושג על ידי שימוש ראשון במגבר מכשור כדי להגדיל את גודל האות בערך פי 1000. אז צריך להסיר את רעש קווי החשמל מהאות כמו גם רעש מלמעלה ומתחת מטווח התדרים המיועד של א.ק.ג. המשמעות הייתה שילוב של מסנן חריץ פעיל וכן מסננים פסיביים גבוהים ונמוכים. למרות שהמוצר הסופי למשימה זו היה מעגל מדומה, עדיין הייתה שגיאה מקובלת, תוך התחשבות בערכי התקן עבור רכיבים התנגדותיים וקיבוליים הזמינים בדרך כלל. על פני כל המערכת בוצעה כצפוי ותוכל לעבור למעגל פיזי די בקלות.

שלב 7: משאבים

[1] X.-L. יאנג, ג.ז. ליו, י.ה. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. ג'אנג, ח.-ב. וואנג, ו- S.-H. טאן, "ההיסטוריה, הנקודות החמות והמגמות של אלקטרוקרדיוגרמה", כתב העת לקרדיולוגיה גריאטרית: JGC, יולי 2015. [באינטרנט]. זמין: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [גישה: 01-דצמבר 2020].

[2] L. G. Tereshchenko ו- M. E. Josephson, "תוכן תדרים ומאפיינים של הולכה חדרית", Journal of electrocardiology, 2015. [Online]. זמין: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [גישה: 01-דצמבר 2020].

[3] "מגבר דיפרנציאלי-מוריד המתח", הדרכות בסיסיות לאלקטרוניקה, 17 במרץ 2020. [באינטרנט]. זמין: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [גישה: 01-דצמבר 2020].

[4] C.-H. חן, ס.ג. פאן ופ 'קינגט, "מערכת מדידת א.ק.ג.", אוניברסיטת קולומביה.

[5] S. Akwei-Sekyere, "חיסול רעשי פאוורליין באותות ביו-רפואיים באמצעות הפרדת מקור עיוור וניתוח טסים", PeerJ, 02-יולי 2015. [באינטרנט]. זמין: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [גישה: 01-דצמבר 2020].

[6] "מסנני Band Stop נקראים דחיית מסננים", הדרכות בסיסיות לאלקטרוניקה, 29 ביוני 2020. [באינטרנט]. זמין: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [גישה: 01-דצמבר 2020].

[7] "מסנן Low Pass-הדרכה מסננת RC פסיבית", הדרכות בסיסיות לאלקטרוניקה, 01-מאי-2020. [באינטרנט]. זמין: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [גישה: 01-דצמבר 2020].

[8] "מסנן High Pass-הדרכה מסננת RC פסיבית", הדרכות בסיסיות לאלקטרוניקה, 05 במרץ 2019. [באינטרנט]. זמין: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [גישה: 01-דצמבר 2020].