Geautomatiseerde ECG-BME 305 Final Project Extra Credit: 7 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

Een elektrocardiogram (ECG of ECG) wordt gebruikt om de elektrische signalen te meten die worden geproduceerd door een kloppend hart en het speelt een grote rol bij de diagnose en prognose van hart- en vaatziekten. Een deel van de informatie die uit een ECG wordt verkregen, omvat het ritme van de hartslag van de patiënt en de sterkte van de hartslag. Elke ECG-golfvorm wordt gegenereerd door een herhaling van de hartcyclus. Gegevens worden verzameld via een elektrode die op de huid van de patiënt wordt geplaatst. Het signaal wordt dan versterkt en ruis wordt uitgefilterd om de aanwezige data goed te kunnen analyseren. Met behulp van de verzamelde gegevens kunnen onderzoekers niet alleen hart- en vaatziekten diagnosticeren, maar het ECG heeft ook een grote rol gespeeld bij het vergroten van het begrip en de herkenning van meer obscure ziekten. De implementatie van ECG heeft de behandeling van aandoeningen zoals aritmie en ischemie aanzienlijk verbeterd [1].

Benodigdheden:

Deze Instructable is voor het simuleren van een virtueel ECG-apparaat en daarom is alles wat nodig is om dit experiment uit te voeren een werkende computer. De software die voor de volgende simulaties wordt gebruikt, is LTspice XVII en kan van internet worden gedownload.

Stap 1: Stap 1: Instrumentatieversterker

Het eerste onderdeel van de schakeling is een instrumentatieversterker. Zoals de naam al doet vermoeden, wordt de instrumentatieversterker gebruikt om de grootte van het signaal te vergroten. Een ECG-signaal dat niet wordt versterkt of gefilterd, heeft een amplitude van ongeveer 5 mV. Om het signaal te filteren, moet het worden versterkt. Een redelijke winst voor dit circuit zou groot moeten zijn om het bio-elektrische signaal op de juiste manier te filteren. Daarom zal de versterking van dit circuit ongeveer 1000 zijn. De algemene vorm van een instrumentatieversterker is opgenomen in de afbeeldingen voor deze stap [2]. Naast de vergelijkingen voor de versterking van het circuit, worden de waarden die voor elke component zijn berekend, weergegeven in de tweede afbeelding [3].

De versterking is negatief omdat de spanning wordt geleverd aan de inverterende pin van de operationele versterker. De waarden die in de tweede afbeelding worden getoond, zijn gevonden door de waarden van R1, R2, R3 in te stellen en als gewenste waarden te verkrijgen en vervolgens op te lossen voor de uiteindelijke waarde R4. De derde afbeelding voor deze stap is het gesimuleerde circuit in LTspice, compleet met nauwkeurige waarden.

Om het circuit te testen, zowel als geheel als als afzonderlijke componenten, moet een wisselstroomanalyse (AC) worden uitgevoerd. Deze vorm van analyse kijkt naar de grootte van het signaal als de frequenties veranderen. Daarom zou het analysetype van AC-analysesweep een decennium moeten zijn, omdat het de schaal van de x-as instelt en meer bevorderlijk is voor het nauwkeurig lezen van de resultaten. Per decennium zouden er 100 datapunten moeten zijn. Hierdoor worden de trends in de gegevens nauwkeurig weergegeven zonder het programma te overbelasten, wat zorgt voor efficiëntie. De start- en stopfrequentiewaarden moeten beide afsnijfrequenties omvatten. Daarom is een redelijke startfrequentie 0,01 Hz en een redelijke stopfrequentie 1 kHz. Voor de instrumentatieversterker is de ingangsfunctie een sinusgolf met een grootte van 5 mV. 5 mV komt overeen met de standaardamplitude van een ECG-signaal [4]. Een sinusgolf bootst de veranderende aspecten van een ECG-signaal na. Al deze analyse-instellingen, behalve de ingangsspanning, zijn voor elk onderdeel hetzelfde.

Het laatste beeld is de frequentieresponsplot voor de instrumentatieversterker. Dit laat zien dat de instrumentatieversterker in staat is om de grootte van het ingangssignaal met ongeveer 1000 te verhogen. De gewenste versterking voor de instrumentatieversterker was 1000. De versterking van de gesimuleerde instrumentatieversterker is 999,6, gevonden met behulp van de vergelijking in de tweede foto. De procentuele fout tussen de gewenste winst en de experimentele winst is 0,04%. Dit is een acceptabel percentage fout.

Stap 2: Stap 2: Notch-filter

Het volgende onderdeel dat in het ECG-circuit wordt gebruikt, is een actief filter. Een actief filter is slechts een filter dat stroom nodig heeft om te kunnen functioneren. Voor deze opdracht is het beste actieve filter een notch-filter. Een notch-filter wordt gebruikt om het signaal op een enkele frequentie of een zeer smal frequentiebereik te verwijderen. Bij deze schakeling is de met een notch filter te verwijderen frequentie 60 Hz. 60 Hz is de frequentie waarop hoogspanningslijnen werken en is daarom een grote bron van ruis bij apparaten. Powerline-ruis vervormt biomedische signalen en vermindert de kwaliteit van de gegevens [5]. De algemene vorm van het inkepingsfilter dat voor dit circuit wordt gebruikt, wordt weergegeven in de eerste foto voor deze stap. Het actieve onderdeel van het notch-filter is de buffer die eraan vast zit. De buffer wordt gebruikt om het signaal na het notch-filter te isoleren. Aangezien de buffer deel uitmaakt van het filter en stroom nodig heeft om te werken, is het notch-filter de actieve filtercomponent van dit circuit.

De vergelijking voor de resistieve en condensatorcomponenten van het notch-filter wordt getoond in de tweede foto [6]. In de vergelijking is fN de frequentie die moet worden verwijderd, namelijk 60 Hz. Net als de instrumentatieversterker, kan de weerstands- of condensatorwaarde worden ingesteld op elke waarde en de andere waarde wordt berekend door de vergelijking in de tweede foto. Voor dit filter kreeg C een waarde van 1 µF en de rest van de waarden werd op basis van die waarde gevonden. De waarde van de condensator werd bepaald op basis van gemak. De tabel op de tweede foto toont de waarden van 2R, R, 2C en C die werden gebruikt.

De derde afbeelding voor deze stap is het laatste filtercircuit met nauwkeurige waarden. Met behulp van dat circuit werd AC Sweep-analyse uitgevoerd met 5V. 5V komt overeen met de spanning na versterking. De rest van de analyseparameters zijn hetzelfde als wat werd vermeld in de stap van de instrumentatieversterker. De frequentieresponsplot wordt getoond in de laatste foto. Met behulp van de waarden en vergelijkingen in de tweede foto is de werkelijke frequentie voor het inkepingsfilter 61,2 Hz. De gewenste waarde voor het notch-filter was 60 Hz. Met behulp van de procentuele foutvergelijking is er een fout van 2% tussen het gesimuleerde filter en het theoretische filter. Dit is een acceptabele hoeveelheid fouten.

Stap 3: Stap 3: Laagdoorlaatfilter

Het laatste type onderdeel dat in dit circuit wordt gebruikt, is het passieve filter. Zoals eerder vermeld, is een passief filter een filter dat geen stroombron nodig heeft om operationeel te zijn. Voor een ECG zijn zowel een hoogdoorlaat- als een laagdoorlaatfilter nodig om ruis goed uit het signaal te verwijderen. Het eerste type passieve filter dat aan het circuit wordt toegevoegd, is een laagdoorlaatfilter. Zoals de naam al doet vermoeden, laat dit eerst een signaal onder de afsnijfrequentie door [7]. Voor het laagdoorlaatfilter moet de afsnijfrequentie de bovengrens van het signaalbereik zijn. Zoals eerder vermeld, is het bovenste bereik van het ECG-signaal 150 Hz [2]. Door een bovengrens in te stellen, wordt ruis van andere signalen niet gebruikt bij signaalacquisitie.

De vergelijking voor de afsnijfrequentie is f = 1 / (2 * pi * R * C). Net als bij de vorige circuitcomponenten, kunnen de waarden voor R en C worden gevonden door de frequentie in te pluggen en een van de componentwaarden in te stellen [7]. Voor het laagdoorlaatfilter was de condensator ingesteld op 1 µF en de gewenste afsnijfrequentie is 150 Hz. Met behulp van de afsnijfrequentievergelijking wordt de waarde voor de weerstandscomponent berekend op 1 kΩ. De eerste afbeelding voor deze stap is een compleet schema van een laagdoorlaatfilter.

Dezelfde parameters die voor het notch-filter zijn gedefinieerd, worden gebruikt voor de AC Sweep-analyse van het laagdoorlaatfilter, weergegeven in de tweede afbeelding. Voor deze component is de gewenste afsnijfrequentie 150 Hz en bij gebruik van vergelijking 3 is de gesimuleerde afsnijfrequentie 159 Hz. Dit heeft een foutpercentage van 6%. Het foutpercentage voor deze component is hoger dan de voorkeur, maar de componenten zijn gekozen voor gemakkelijke vertaling naar een fysiek circuit. Dit is duidelijk een laagdoorlaatfilter, gebaseerd op de frequentieresponsgrafiek in de tweede afbeelding, omdat alleen het signaal onder de afsnijfrequentie bij 5 V kan passeren, en naarmate de frequentie de afsnijfrequentie nadert, neemt de spanning af.

Stap 4: Stap 4: Hoogdoorlaatfilter

De tweede passieve component voor het ECG-circuit is het hoogdoorlaatfilter. Een hoogdoorlaatfilter is een filter dat elke frequentie hoger dan de afsnijfrequentie doorlaat. Voor deze component is de afsnijfrequentie 0,05 Hz. Nogmaals, 0,05 Hz is de onderkant van het bereik van ECG-signalen [2]. Hoewel de waarde zo klein is, moet er nog steeds een hoogdoorlaatfilter zijn om eventuele spanningsverschuivingen in het signaal weg te filteren. Daarom is het hoogdoorlaatfilter nog steeds nodig binnen het circuitontwerp, ook al is de afsnijfrequentie zo klein.

De vergelijking voor de afsnijfrequentie is hetzelfde als het laagdoorlaatafsnijfilter, f = 1 / (2 * pi * R * C). De weerstandswaarde was ingesteld op 50 kΩ en de gewenste afsnijfrequentie is 0,05 Hz [8]. Met behulp van die informatie werd de condensatorwaarde berekend tot 63 F. De eerste afbeelding voor deze stap is het hoogdoorlaatfilter met de juiste waarden.

De AC Sweep Analyse is het tweede filter. Net als bij het laagdoorlaatfilter neemt de uitgangsspanning af als de frequentie van het signaal de afsnijfrequentie nadert. Voor het hoogdoorlaatfilter is de gewenste afsnijfrequentie 0,05 Hz en de gesimuleerde afsnijfrequentie 0,0505 Hz. Deze waarde werd berekend met behulp van de laagdoorlaatafsnijfrequentievergelijking. Het foutpercentage voor dit onderdeel is 1%. Dit is een acceptabele procentuele fout.

Stap 5: Stap 5: Volledig circuit

Het hele circuit is opgebouwd door de vier componenten, de instrumentatieversterker, het notch-filter, het laagdoorlaatfilter en het hoogdoorlaatfilter, in serie te schakelen. Het volledige schakelschema wordt getoond in de eerste afbeelding voor deze stap.

De gesimuleerde respons die in de tweede afbeelding wordt getoond, werkt zoals verwacht werd op basis van de soorten componenten die voor dit circuit werden gebruikt. Het circuit dat is ontworpen, filtert ruis uit zowel de onder- als de bovengrens van het ECG-signaal en filtert met succes ruis van hoogspanningslijnen. Het laagdoorlaatfilter verwijdert met succes het signaal onder de afsnijfrequentie. Zoals te zien is in de frequentieresponsgrafiek, wordt het signaal bij 0,01 Hz doorgelaten bij 1 V, een waarde die 5 keer lager is dan de gewenste output. Naarmate de frequentie toeneemt, neemt ook de uitgangsspanning toe totdat deze zijn pieken bij 0,1 Hz bereikt. De piek ligt rond de 5 V, wat overeenkomt met een versterking van 1000 voor de instrumentatieversterker. Het signaal neemt af vanaf 5 V vanaf 10 Hz. Tegen de tijd dat de frequentie 60 Hz is, wordt er geen signaal meer afgegeven door het circuit. Dit was het doel van het notch-filter en het is bedoeld om de interferentie van de hoogspanningslijnen tegen te gaan. Nadat de frequentie 60 Hz overschrijdt, begint de spanning opnieuw met de frequentie te stijgen. Ten slotte, zodra de frequentie 110 Hz bereikt, bereikt het signaal een secundaire piek van ongeveer 2 V. Van daaruit neemt de uitvoer af vanwege het laagdoorlaatfilter.

Stap 6: Conclusie

Het doel van deze opdracht was om een geautomatiseerd ECG te simuleren waarmee de hartcyclus nauwkeurig kan worden geregistreerd. Om dit te doen, moest het analoge signaal dat van een patiënt zou zijn genomen, worden versterkt en vervolgens worden gefilterd om alleen het ECG-signaal op te nemen. Dit werd bereikt door eerst een instrumentatieversterker te gebruiken om de grootte van het signaal ongeveer 1000 keer te vergroten. Vervolgens moest de ruis van hoogspanningslijnen uit het signaal worden verwijderd, evenals ruis van boven en onder het aangegeven frequentiebereik van een ECG. Dit betekende het opnemen van een actief notch-filter en passieve hoog- en laagdoorlaatfilters. Hoewel het eindproduct voor deze opdracht een gesimuleerd circuit was, was er nog steeds een acceptabele fout, rekening houdend met de standaardwaarden voor resistieve en capacitieve componenten die normaal beschikbaar zijn. Al met al presteerde het systeem zoals verwacht en zou het vrij gemakkelijk kunnen worden overgezet naar een fysiek circuit.

Stap 7: Bronnen

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang, en S.-H. Tan, "De geschiedenis, hotspots en trends van elektrocardiogram", Journal of geriatric cardiology: JGC, juli-2015. [Online]. Beschikbaar: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Betreden: 01-dec-2020].

[2] L. G. Tereshchenko en M. E. Josephson, "Frequentie-inhoud en kenmerken van ventriculaire geleiding", Journal of electrocardiology, 2015. [Online]. Beschikbaar: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Betreden: 01-dec-2020].

[3] "Differentiële versterker - de spanningsaftrekker", basishandleidingen voor elektronica, 17-maart-2020. [Online]. Beschikbaar: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Toegankelijk: 01-dec-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan, en P. Kinget, "ECG-meetsysteem", Columbia University.

[5] S. Akwei-Sekyere, "Powerline-ruiseliminatie in biomedische signalen via blinde bronscheiding en wavelet-analyse", PeerJ, 02-jul-2015. [Online]. Beschikbaar: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Betreden: 01-dec-2020].

[6] "Bandstopfilters worden Reject-filters genoemd", Basic Electronics Tutorials, 29-jun-2020. [Online]. Beschikbaar: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Betreden: 01-dec-2020].

[7] "Laagdoorlaatfilter - zelfstudie passieve RC-filter", basishandleidingen voor elektronica, 01-mei-2020. [Online]. Beschikbaar: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Betreden: 01-dec-2020].

[8] "Hoogdoorlaatfilter - zelfstudie passieve RC-filter", basishandleidingen voor elektronica, 05-maart-2019. [Online]. Beschikbaar: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Betreden: 01-dec-2020].