ECG automatizzato- BME 305 Progetto finale Credito extra: 7 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

Un elettrocardiogramma (ECG o ECG) viene utilizzato per misurare i segnali elettrici prodotti da un cuore che batte e svolge un ruolo importante nella diagnosi e nella prognosi delle malattie cardiovascolari. Alcune delle informazioni ottenute da un ECG includono il ritmo dei battiti cardiaci del paziente e la forza del battito. Ogni forma d'onda ECG è generata da un'iterazione del ciclo cardiaco. I dati vengono raccolti tramite elettrodo posto sulla pelle del paziente. Il segnale viene quindi amplificato e il rumore viene filtrato per analizzare correttamente i dati presenti. Utilizzando i dati raccolti, i ricercatori sono in grado non solo di diagnosticare malattie cardiovascolari, ma l'ECG ha anche svolto un ruolo importante nell'aumentare la comprensione e il riconoscimento di malattie più oscure. L'implementazione dell'ECG ha notevolmente migliorato il trattamento di condizioni come l'aritmia e l'ischemia [1].

Forniture:

Questo Instructable è per simulare un dispositivo ECG virtuale e quindi tutto ciò che è necessario per condurre questo esperimento è un computer funzionante. Il software utilizzato per le seguenti simulazioni è LTspice XVII e può essere scaricato da internet.

Passaggio 1: Passaggio 1: Amplificatore per strumentazione

Il primo componente del circuito è un amplificatore per strumentazione. Come suggerisce il nome, l'amplificatore della strumentazione viene utilizzato per aumentare l'ampiezza del segnale. Un segnale ECG non amplificato o filtrato ha un'ampiezza di circa 5 mV. Per filtrare il segnale, deve essere amplificato. Un guadagno ragionevole per questo circuito dovrebbe essere grande affinché il segnale bioelettrico venga filtrato in modo appropriato. Pertanto, il guadagno di questo circuito sarà di circa 1000. La forma generale di un amplificatore per strumentazione è inclusa nelle immagini per questo passaggio [2]. Nella seconda immagine [3] sono inoltre riportate le equazioni per il guadagno del circuito, i valori che sono stati calcolati per ogni componente.

Il guadagno è negativo perché la tensione è fornita al pin invertente dell'amplificatore operazionale. I valori mostrati nella seconda immagine sono stati trovati impostando i valori di R1, R2, R3 e gain come valori desiderati e quindi risolvendo per il valore finale R4. La terza immagine per questo passaggio è il circuito simulato in LTspice, completo di valori accurati.

Per testare il circuito, sia nel suo insieme che come singoli componenti, è necessario eseguire un'analisi della corrente alternata (AC). Questa forma di analisi esamina l'ampiezza del segnale al variare delle frequenze. Pertanto, il tipo di analisi della scansione dell'analisi AC dovrebbe essere un decennio perché imposta la scala dell'asse x ed è più favorevole per una lettura accurata dei risultati. Per decennio, dovrebbero esserci 100 punti dati. Ciò trasmetterà accuratamente le tendenze nei dati senza sovraccaricare il programma, garantendo l'efficienza. I valori della frequenza di avvio e di arresto dovrebbero comprendere entrambe le frequenze di taglio. Pertanto, una frequenza di avvio ragionevole è 0,01 Hz e una frequenza di arresto ragionevole è 1kHz. Per l'amplificatore per strumentazione, la funzione di ingresso è un'onda sinusoidale con un'ampiezza di 5 mV. 5 mV corrisponde all'ampiezza standard di un segnale ECG [4]. Un'onda sinusoidale imita gli aspetti mutevoli di un segnale ECG. Tutte queste impostazioni di analisi, ad eccezione della tensione di ingresso, sono le stesse per ogni componente.

L'immagine finale è il grafico della risposta in frequenza per l'amplificatore della strumentazione. Ciò mostra che l'amplificatore per strumentazione è in grado di aumentare l'ampiezza del segnale di ingresso di circa 1000. Il guadagno desiderato per l'amplificatore per strumentazione era 1000. Il guadagno dell'amplificatore per strumentazione simulato è 999,6, trovato utilizzando l'equazione mostrata nella seconda foto. L'errore percentuale tra il guadagno desiderato e il guadagno sperimentale è dello 0,04%. Questa è una quantità accettabile di errore percentuale.

Passaggio 2: Passaggio 2: Filtro notch

Il componente successivo utilizzato nel circuito ECG è un filtro attivo. Un filtro attivo è solo un filtro che richiede energia per funzionare. Per questa assegnazione, il miglior filtro attivo da utilizzare è un filtro notch. Un filtro notch viene utilizzato per rimuovere il segnale a una singola frequenza oa una gamma di frequenze molto ristretta. Nel caso di questo circuito, la frequenza da rimuovere con un filtro notch è di 60 Hz. 60 Hz è la frequenza a cui operano le linee elettriche e quindi è una grande fonte di rumore con i dispositivi. Il rumore Powerline distorce i segnali biomedici e riduce la qualità dei dati [5]. La forma generale del filtro notch utilizzato per questo circuito è mostrata nella prima foto per questo passaggio. Il componente attivo del filtro notch è il buffer che è collegato. Il buffer viene utilizzato per isolare il segnale dopo il filtro notch. Poiché il buffer fa parte del filtro e necessita di alimentazione per funzionare, il filtro notch è il componente filtro attivo di questo circuito.

L'equazione per i componenti resistivo e condensatore del filtro notch è mostrata nella seconda foto [6]. Nell'equazione, fN è la frequenza da rimuovere, che è 60 Hz. Come lo sarà l'amplificatore della strumentazione, il valore del resistore o del condensatore può essere impostato su qualsiasi valore e l'altro valore calcolato dall'equazione mostrata nella seconda foto. Per questo filtro, a C è stato assegnato un valore di 1 µF e il resto dei valori è stato trovato in base a tale valore. Il valore del condensatore è stato deciso in base alla convenienza. La tabella nella seconda foto mostra i valori di 2R, R, 2C e C che sono stati utilizzati.

La terza immagine per questo passaggio è il circuito del filtro notch finale con valori accurati. Utilizzando quel circuito, l'analisi AC Sweep è stata eseguita utilizzando 5V. 5V corrisponde alla tensione dopo l'amplificazione. Il resto dei parametri di analisi sono gli stessi di quanto affermato nella fase dell'amplificatore della strumentazione. Il grafico della risposta in frequenza è mostrato nella foto finale. Utilizzando i valori e le equazioni nella seconda foto, la frequenza effettiva per il filtro notch è 61,2 Hz. Il valore desiderato per il filtro notch era 60 Hz. Utilizzando l'equazione di errore percentuale, c'è un errore del 2% tra il filtro simulato e il filtro teorico. Questa è una quantità di errore accettabile.

Passaggio 3: Passaggio 3: filtro passa basso

L'ultimo tipo di parte utilizzata in questo circuito è il filtro passivo. Come accennato in precedenza, un filtro passivo è un filtro che non richiede una fonte di alimentazione per essere operativo. Per un ECG, sono necessari sia un filtro passa alto che un filtro passa basso per rimuovere correttamente il rumore dal segnale. Il primo tipo di filtro passivo da aggiungere al circuito è un filtro passa basso. Come suggerisce il nome, questo prima consente il passaggio del segnale al di sotto della frequenza di taglio [7]. Per il filtro passa basso, la frequenza di taglio dovrebbe essere il limite superiore della gamma del segnale. Come accennato in precedenza, la gamma superiore del segnale ECG è 150 Hz [2]. Impostando un limite superiore, il rumore proveniente da altri segnali non viene utilizzato nell'acquisizione del segnale.

L'equazione per la frequenza di taglio è f = 1 / (2 * pi * R * C). Come per i componenti del circuito precedente, i valori per R e C possono essere trovati inserendo la frequenza e impostando uno dei valori dei componenti [7]. Per il filtro passa basso, il condensatore è stato impostato su 1 µF e la frequenza di taglio desiderata è 150 Hz. Utilizzando l'equazione della frequenza di taglio, il valore per il componente del resistore viene calcolato come 1 kΩ. La prima immagine di questo passaggio è uno schema completo del filtro passa basso.

Gli stessi parametri definiti per il filtro notch sono usati per l'AC Sweep Analysis del filtro passa basso, mostrato nella seconda immagine. Per questo componente, la frequenza di taglio desiderata è 150 Hz e utilizzando l'equazione 3, la frequenza di taglio simulata è 159 Hz. Questo ha un errore percentuale del 6%. L'errore percentuale per questo componente è superiore a quello preferito, ma i componenti sono stati scelti per facilitare la traduzione in un circuito fisico. Questo è chiaramente un filtro passa basso, basato sul grafico della risposta in frequenza nella seconda immagine, poiché solo il segnale al di sotto della frequenza di taglio è in grado di passare a 5 V e quando la frequenza si avvicina alla frequenza di taglio, la tensione diminuisce.

Passaggio 4: Passaggio 4: filtro passa alto

Il secondo componente passivo per il circuito ECG è il filtro passa alto. Un filtro passa alto è un filtro che consente il passaggio di qualsiasi frequenza maggiore della frequenza di taglio. Per questo componente, la frequenza di taglio sarà 0,05 Hz. Ancora una volta 0,05 Hz è il limite inferiore dell'intervallo dei segnali ECG [2]. Anche se il valore è così piccolo, è comunque necessario un filtro passa alto per filtrare qualsiasi offset di tensione nel segnale. Pertanto, il filtro passa alto è ancora necessario all'interno della progettazione del circuito, anche se la frequenza di taglio è così piccola.

L'equazione per la frequenza di taglio è la stessa del filtro di taglio passa basso, f = 1 / (2 * pi * R * C). Il valore del resistore è stato impostato su 50 kΩ e la frequenza di taglio desiderata è 0,05 Hz [8]. Usando queste informazioni, il valore del condensatore è stato calcolato a 63 µF. La prima immagine per questo passaggio è il filtro passa alto con i valori appropriati.

L'analisi AC Sweep è il secondo filtro. Come il filtro passa basso, quando la frequenza del segnale si avvicina alla frequenza di taglio, la tensione di uscita diminuisce. Per il filtro passa alto, la frequenza di taglio desiderata è 0,05 Hz e la frequenza di taglio simulata è 0,0505 Hz. Questo valore è stato calcolato utilizzando l'equazione della frequenza di taglio passa basso. L'errore percentuale per questo componente è 1%. Questo è un errore percentuale accettabile.

Passaggio 5: Passaggio 5: Circuito completo

L'intero circuito è costruito collegando in serie i quattro componenti, l'amplificatore per strumentazione, il filtro notch, il filtro passa basso e il filtro passa alto. Lo schema del circuito completo è mostrato nella prima immagine per questo passaggio.

La risposta simulata mostrata nella seconda figura agisce come previsto in base ai tipi di componenti utilizzati per questo circuito. Il circuito progettato filtra il rumore sia ai limiti inferiore che superiore del segnale ECG, oltre a filtrare con successo il rumore dalle linee elettriche. Il filtro passa basso rimuove con successo il segnale al di sotto della frequenza di taglio. Come mostrato nel grafico della risposta in frequenza, a 0,01 Hz, il segnale viene fatto passare a 1 V, un valore che è 5 volte inferiore all'uscita desiderata. All'aumentare della frequenza aumenta anche la tensione di uscita fino a raggiungere i suoi picchi a 0,1 Hz. Il picco è di circa 5 V, che è allineato con un guadagno di 1000 per l'amplificatore per strumentazione. Il segnale diminuisce da 5 V a partire da 10 Hz. Quando la frequenza è di 60 Hz, non viene emesso alcun segnale dal circuito. Questo era lo scopo del filtro notch ed era inteso a contrastare le interferenze delle linee elettriche. Dopo che la frequenza supera i 60 Hz, la tensione ricomincia ad aumentare con la frequenza. Infine, una volta che la frequenza raggiunge i 110 Hz, il segnale raggiunge come picco secondario di circa 2 V. Da lì, l'uscita diminuisce a causa del filtro passa basso.

Passaggio 6: conclusione

Lo scopo di questo compito era simulare un ECG automatizzato in grado di registrare accuratamente il ciclo cardiaco. Per fare ciò, il segnale analogico che sarebbe stato prelevato da un paziente doveva essere amplificato e quindi filtrato per includere solo il segnale ECG. Ciò è stato ottenuto utilizzando prima un amplificatore per strumentazione per aumentare l'ampiezza del segnale di circa 1000 volte. Quindi il rumore delle linee elettriche doveva essere rimosso dal segnale così come il rumore da sopra e sotto la gamma di frequenza designata di un ECG. Ciò significava incorporare un filtro notch attivo e filtri passivi passa alto e passa basso. Anche se il prodotto finale per questo compito era un circuito simulato, c'era ancora qualche errore accettabile, tenendo in considerazione i valori standard per i componenti resistivi e capacitivi normalmente disponibili. Nel complesso, il sistema ha funzionato come previsto e potrebbe essere trasferito in un circuito fisico piuttosto facilmente.

Passaggio 7: risorse

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang e S.-H. Tan, "La storia, i punti caldi e le tendenze dell'elettrocardiogramma", Journal of Geriatric Cardiology: JGC, Jul-2015. [In linea]. Disponibile: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Accesso: 01-Dec-2020].

[2] L. G. Tereshchenko e M. E. Josephson, "Contenuto di frequenza e caratteristiche della conduzione ventricolare", Journal of electrocardiology, 2015. [Online]. Disponibile: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Accesso: 01-Dec-2020].

[3] "Amplificatore differenziale - Il sottrattore di tensione", Tutorial di elettronica di base, 17 marzo 2020. [In linea]. Disponibile: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Accesso: 01-Dec-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan e P. Kinget, "Sistema di misurazione ECG", Columbia University.

[5] S. Akwei-Sekyere, "Eliminazione del rumore Powerline nei segnali biomedici tramite separazione della sorgente cieca e analisi wavelet", PeerJ, 02-lug-2015. [In linea]. Disponibile: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Accesso: 01-Dec-2020].

[6] "I filtri di arresto della banda sono chiamati filtri di rifiuto", Tutorial di elettronica di base, 29-giu-2020. [In linea]. Disponibile: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Accesso: 01-Dec-2020].

[7] "Filtro passa basso - Esercitazione sul filtro RC passivo", Esercitazioni di base sull'elettronica, 01-maggio-2020. [In linea]. Disponibile: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Accesso: 01-Dec-2020].

[8] "Filtro passa alto - Esercitazione filtro RC passivo", Esercitazioni di base sull'elettronica, 05-mar-2019. [In linea]. Disponibile: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Accesso: 01-dic-2020].