Автомат ЭКГ- BME 305 Эцсийн төсөл Нэмэлт зээл: 7 алхам

2024 Зохиолч: John Day | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-30 11:00

Электрокардиограм (ЭКГ эсвэл ЭКГ) нь цохилж буй зүрхний цахилгаан дохиог хэмжихэд хэрэглэгддэг бөгөөд зүрх судасны өвчнийг оношлох, урьдчилан таамаглахад чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. ЭКГ -аас олж авсан зарим мэдээлэлд өвчтөний зүрхний цохилт, цохилтын хүч багтдаг. ЭКГ долгионы хэлбэр бүрийг зүрхний мөчлөгийн давталтаар үүсгэдэг. Мэдээллийг өвчтөний арьсан дээр байрлуулсан электродоор цуглуулдаг. Дараа нь одоо байгаа өгөгдлийг зөв шинжлэхийн тулд дохиог олшруулж, дуу чимээг шүүнэ. Судлаачид цуглуулсан өгөгдлийг ашиглан зүрх судасны өвчнийг оношлох төдийгүй ЭКГ нь илүү ойлгомжгүй өвчний талаарх ойлголт, хүлээн зөвшөөрөлтийг нэмэгдүүлэхэд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. ЭКГ -ийг хэрэгжүүлснээр хэм алдагдал, ишеми зэрэг өвчний эмчилгээ ихээхэн сайжирсан [1].

Хангамж:

Энэхүү зааварчилгаа нь виртуал ЭКГ төхөөрөмжийг дуурайх зориулалттай тул туршилтыг хийхэд шаардлагатай бүх зүйл бол ажиллах компьютер юм. Дараах симуляцид ашигладаг програм хангамж нь LTspice XVII бөгөөд үүнийг интернетээс татаж авах боломжтой.

Алхам 1: Алхам 1: Хэмжих хэрэгслийн өсгөгч

Хэлхээний эхний бүрэлдэхүүн хэсэг нь багаж хэрэгслийн өсгөгч юм. Нэрээс нь харахад багажийн өсгөгчийг дохионы хэмжээг нэмэгдүүлэх зорилгоор ашигладаг. ЭКГ -ийн дохиог олшруулаагүй эсвэл шүүгээгүй нь ойролцоогоор 5 мВ далайцтай байна. Дохиог шүүхийн тулд үүнийг өсгөх шаардлагатай. Биоэлектрик дохиог зохих ёсоор шүүхийн тулд энэ хэлхээний боломжийн ашиг нь их байх ёстой. Тиймээс, энэ хэлхээний ашиг нь ойролцоогоор 1000 байх болно. Багаж хэрэгслийн өсгөгчийн ерөнхий хэлбэрийг энэ алхамын зургуудад оруулсан болно [2]. Хэлхээний ашиг олох тэгшитгэлүүдээс гадна бүрэлдэхүүн хэсэг бүрийн тооцоолсон утгыг хоёрдахь зурагт үзүүлэв [3].

Ажиллах өсгөгчийн урвуу зүү рүү хүчдэл өгдөг тул ашиг нь сөрөг байдаг. Хоёрдахь зураг дээр үзүүлсэн утгыг R1, R2, R3 -ийн утгыг тохируулж, хүссэн утгын дагуу олж, дараа нь R4 -ийн эцсийн утгыг олох замаар олсон болно. Энэ алхамыг хийх гурав дахь зураг бол LTspice -ийн дуурайсан хэлхээ бөгөөд үнэн зөв утгатай.

Хэлхээг бүхэлд нь болон бие даасан бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг туршихын тулд хувьсах гүйдлийн (AC) шинжилгээг хийх шаардлагатай. Энэхүү шинжилгээний хэлбэр нь давтамж өөрчлөгдөхөд дохионы хэмжээг хардаг. Тиймээс, AC тэнхлэгийн шинжилгээний дүн шинжилгээ нь арван жилийн хугацаатай байх ёстой, учир нь энэ нь x тэнхлэгийн масштабыг тогтоодог бөгөөд үр дүнг үнэн зөв уншихад илүү тохиромжтой байдаг. Арван жилд 100 мэдээллийн цэг байх ёстой. Энэ нь програмын хэт ачаалалгүйгээр өгөгдлийн чиг хандлагыг үнэн зөв дамжуулж, үр ашгийг хангах болно. Эхлэх ба зогсоох давтамжийн утга нь таслагдсан давтамжийг хоёуланг нь багтаасан байх ёстой. Тиймээс боломжийн эхлэх давтамж нь 0.01 Гц, боломжийн зогсоох давтамж нь 1 кГц байна. Хэмжих хэрэгслийн өсгөгчийн хувьд оролтын функц нь 5 мВ -ийн хэмжээтэй синус долгион юм. 5 мВ нь ЭКГ дохионы стандарт далайцтай тохирч байна [4]. Синус долгион нь ЭКГ дохионы өөрчлөгдөж буй талыг дуурайдаг. Оролтын хүчдэлээс бусад эдгээр шинжилгээний бүх тохиргоо нь бүрэлдэхүүн хэсэг бүрт ижил байдаг.

Эцсийн зураг бол багаж хэрэгслийн өсгөгчийн давтамжийн хариу үйлдэл юм. Энэ нь багажийн өсгөгч нь оролтын дохионы хэмжээг ойролцоогоор 1000 -аар нэмэгдүүлэх боломжтой болохыг харуулж байна. Хэмжих хэрэгслийн өсгөгчийн хүссэн ашиг нь 1000 байв. Хоёр дахь зураг дээр үзүүлсэн тэгшитгэлийг ашиглан загварчилсан багажийн өсгөгчийн ашиг 999.6 байна. Хүссэн ашиг ба туршилтын ашиг хоёрын хоорондох алдааны хувь 0.04%байна. Энэ бол зөвшөөрөгдөх хэмжээний хувь алдаа юм.

Алхам 2: Алхам 2: Ховилын шүүлтүүр

ЭКГ -ийн хэлхээнд ашигладаг дараагийн бүрэлдэхүүн хэсэг нь идэвхтэй шүүлтүүр юм. Идэвхтэй шүүлтүүр бол ажиллахын тулд хүч шаарддаг шүүлтүүр юм. Энэ даалгаварт ашиглах хамгийн сайн идэвхтэй шүүлтүүр бол ховилын шүүлтүүр юм. Ховилын шүүлтүүрийг нэг давтамж эсвэл маш нарийн давтамжийн хүрээнд дохиог арилгахад ашигладаг. Энэ хэлхээний хувьд ховилын шүүлтүүрээр зайлуулах давтамж нь 60 Гц байна. 60 Гц бол цахилгаан дамжуулах шугамын давтамж бөгөөд төхөөрөмжүүдийн дуу чимээний томоохон эх үүсвэр юм. Powerline -ийн дуу чимээ нь биоанагаахын дохиог гажуудуулж, мэдээллийн чанарыг бууруулдаг [5]. Энэ хэлхээнд ашиглагддаг ховилын шүүлтүүрийн ерөнхий хэлбэрийг энэ алхамын эхний зураг дээр харуулав. Ховилын шүүлтүүрийн идэвхтэй бүрэлдэхүүн хэсэг нь хавсаргасан буфер юм. Буфер нь ховилын шүүлтүүрийн дараа дохиог тусгаарлахад хэрэглэгддэг. Буфер нь шүүлтүүрийн нэг хэсэг бөгөөд ажиллахад хүч шаардагддаг тул ховилын шүүлтүүр нь энэ хэлхээний идэвхтэй шүүлтүүрийн бүрэлдэхүүн хэсэг юм.

Ховилын шүүлтүүрийн эсэргүүцэл ба конденсаторын бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн тэгшитгэлийг хоёр дахь зураг дээр үзүүлэв [6]. Тэгшитгэлд fN нь хасагдах давтамж бөгөөд 60 Гц байна. Багаж хэрэгслийн өсгөгчийн нэгэн адил резистор эсвэл конденсаторын утгыг аль ч утгад тохируулж, нөгөө утгыг хоёр дахь зураг дээр үзүүлсэн тэгшитгэлээр тооцоолж болно. Энэхүү шүүлтүүрийн хувьд С -д 1 µF гэсэн утгыг өгсөн бөгөөд үлдсэн утгыг энэ утгыг үндэслэн олсон болно. Конденсаторын үнэ цэнийг тав тухтай байдалд үндэслэн шийдсэн. Хоёрдахь зурган дээрх хүснэгтэд ашигласан 2R, R, 2C, C утгуудыг харуулав.

Энэ алхам дахь гуравдахь зураг бол үнэн зөв утгатай шүүлтүүрийн эцсийн хэлхээ юм. Энэ хэлхээг ашиглан 5В хүчдэл ашиглан AC Sweep анализ хийсэн. 5V нь олшруулсны дараах хүчдэлтэй тохирч байна. Бусад шинжилгээний параметрүүд нь багаж хэрэгслийн өсгөгчийн алхамд дурдсантай ижил байна. Давтамжийн хариултын схемийг эцсийн зураг дээр харуулав. Хоёрдахь зураг дээрх утга ба тэгшитгэлийг ашиглан ховилын шүүлтүүрийн бодит давтамж нь 61.2 Гц байна. Ховилын шүүлтүүрийн хүссэн утга нь 60 Гц байв. Алдааны хувь тэгшитгэлийг ашиглан загварчилсан шүүлтүүр ба онолын шүүлтүүрийн хооронд 2% -ийн алдаа гардаг. Энэ бол зөвшөөрөгдөх хэмжээний алдаа юм.

Алхам 3: Алхам 3: Бага нэвтрүүлэх шүүлтүүр

Энэ хэлхээнд ашигладаг хамгийн сүүлийн хэсэг нь идэвхгүй шүүлтүүр юм. Өмнө дурьдсанчлан идэвхгүй шүүлтүүр нь ажиллахын тулд тэжээлийн эх үүсвэр шаарддаггүй шүүлтүүр юм. ЭКГ -ийн хувьд дохионы дуу чимээг зөв арилгахын тулд өндөр дамжуулалт ба бага дамжуулалтын шүүлтүүр шаардлагатай болно. Энэ хэлхээнд нэмж оруулах идэвхгүй шүүлтүүрийн эхний төрөл бол бага дамжуулагч шүүлтүүр юм. Нэрээс нь харахад энэ нь эхлээд таслах давтамжаас доогуур дохиог дамжуулах боломжийг олгодог [7]. Бага нэвтрүүлэх шүүлтүүрийн хувьд таслах давтамж нь дохионы хүрээний дээд хязгаар байх ёстой. Өмнө дурьдсанчлан, ЭКГ дохионы дээд хүрээ нь 150 Гц байна [2]. Дээд хязгаар тогтоосноор бусад дохионы дуу чимээг дохио олж авахад ашигладаггүй.

Таслах давтамжийн тэгшитгэл нь f = 1 / (2 * pi * R * C) байна. Өмнөх хэлхээний бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн нэгэн адил давтамжийг залгаж, бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн аль нэг утгыг тохируулснаар R ба C -ийн утгыг олж болно [7]. Бага нэвтрүүлэх шүүлтүүрийн хувьд конденсаторыг 1 μF гэж тохируулсан бөгөөд хүссэн таслах давтамж нь 150 Гц байна. Таслах давтамжийн тэгшитгэлийг ашиглан резисторын бүрэлдэхүүн хэсгийн утгыг 1 кОм гэж тооцоолно. Энэ алхамын эхний зураг бол бага нэвтрүүлэх шүүлтүүрийн бүрэн схем юм.

Ховилын шүүлтүүрт тодорхойлсон ижил параметрүүдийг хоёрдахь зурагт үзүүлсэн нам нэвтрүүлэх шүүлтүүрийн AC цэвэрлэгээний шинжилгээнд ашигладаг. Энэ бүрэлдэхүүн хэсгийн хувьд хүссэн таслах давтамж нь 150 Гц бөгөөд томъёо 3 -ийг ашиглан загварчилсан таслах давтамж нь 159 Гц байна. Энэ нь 6%-ийн хувийн алдаатай байна. Энэ бүрэлдэхүүн хэсгийн алдааны хувь хэмжээ нь давуу байдлаас өндөр боловч бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг физик хэлхээнд хялбар орчуулах зорилгоор сонгосон болно. Энэ нь хоёрдахь зурган дээрх давтамжийн хариултын схем дээр үндэслэсэн бага нэвтрүүлэх шүүлтүүр юм. Учир нь зөвхөн таслах давтамжаас доогуур дохио 5 В -т дамжих боломжтой бөгөөд давтамж нь таслах давтамжид ойртох тусам хүчдэл буурдаг.

Алхам 4: Алхам 4: Өндөр нэвтрүүлэх шүүлтүүр

ЭКГ -ийн хэлхээний хоёр дахь идэвхгүй бүрэлдэхүүн хэсэг бол өндөр нэвтрүүлэх шүүлтүүр юм. Өндөр нэвтрүүлэх шүүлтүүр нь таслах давтамжаас давсан давтамжийг давах боломжийг олгодог шүүлтүүр юм. Энэ бүрэлдэхүүн хэсгийн хувьд таслах давтамж нь 0.05 Гц байна. Дахин нэг удаа 0.05 Гц бол ЭКГ дохионы доод төгсгөл юм [2]. Хэдийгээр утга нь маш бага боловч дохионы хүчдэлийн алдагдлыг шүүхийн тулд өндөр нэвтрүүлэх шүүлтүүр байх шаардлагатай хэвээр байна. Тиймээс таслах давтамж маш бага байсан ч хэлхээний дизайны хувьд өндөр нэвтрүүлэх шүүлтүүр шаардлагатай хэвээр байна.

Таслах давтамжийн тэгшитгэл нь бага нэвтрүүлэх таслах шүүлтүүртэй ижил, f = 1 / (2 * pi * R * C). Резисторын утгыг 50 кОм болгож, хүссэн таслах давтамж нь 0.05 Гц байна [8]. Энэхүү мэдээллийг ашиглан конденсаторын утгыг 63 µF гэж тооцоолсон. Энэ алхамыг хийх эхний зураг бол тохирох утгатай өндөр нэвтрүүлэх шүүлтүүр юм.

AC Sweep Analysis нь хоёр дахь шүүлтүүр юм. Бага дамжуулагч шүүлтүүрийн нэгэн адил дохионы давтамж нь таслах давтамжид ойртох тусам гаралтын хүчдэл буурдаг. Өндөр нэвтрүүлэх шүүлтүүрийн хувьд хүссэн таслах давтамж нь 0.05 Гц, дууриамал таслах давтамж 0.0505 Гц байна. Энэ утгыг бага нэвтрүүлэх давтамжийн тэгшитгэлийг ашиглан тооцоолсон болно. Энэ бүрэлдэхүүн хэсгийн алдааны хувь 1%байна. Энэ бол зөвшөөрөгдөх хувь алдаа юм.

Алхам 5: Алхам 5: Бүрэн тойрог

Бүх хэлхээг дөрвөн бүрэлдэхүүн хэсэг болох багаж хэрэгслийн өсгөгч, ховилын шүүлтүүр, бага нэвтрүүлэх шүүлтүүр, өндөр дамжуулагч шүүлтүүрийг цувралаар холбож бүтээдэг. Бүрэн хэлхээний диаграммыг энэ алхамын эхний зураг дээр харуулав.

Хоёрдахь зурагт үзүүлсэн загварчилсан хариу үйлдэл нь энэ хэлхээнд ашигласан бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн төрлүүд дээр үндэслэсэн болно. Энэхүү схем нь ЭКГ дохионы доод ба дээд хязгаарт байгаа дуу чимээг шүүж, цахилгаан дамжуулах шугамаас гарах дуу чимээг амжилттай шүүдэг. Бага нэвтрүүлэх шүүлтүүр нь таслах давтамжийн доорх дохиог амжилттай арилгадаг. Давтамжийн хариултын схемд харуулснаар 0.01 Гц давтамжтайгаар дохиог 1 В -ээр дамжуулдаг бөгөөд энэ нь хүссэн гаралтаас 5 дахин бага утга юм. Давтамж нэмэгдэх тусам гаралтын хүчдэл 0.1 Гц -ийн дээд цэгтээ хүрэх хүртэл нэмэгддэг. Оргил нь 5 В орчим байдаг бөгөөд энэ нь багаж хэрэгслийн өсгөгчийн 1000 -ийн оролттой нийцдэг. 10 Гц -ээс эхлэн 5 В -оос дохио буурдаг. 60 Гц давтамжтай байх үед хэлхээнээс ямар ч дохио гарахгүй. Энэ бол ховилын шүүлтүүрийн зорилго бөгөөд цахилгааны шугамын хөндлөнгийн оролцоог арилгах зорилготой байв. Давтамж 60 Гц давсан тохиолдолд хүчдэл давтамжтайгаар дахин нэмэгдэж эхэлдэг. Эцэст нь давтамж 110 Гц хүрэхэд дохио нь ойролцоогоор 2 В -ийн хоёрдогч оргилд хүрдэг.

Алхам 6: Дүгнэлт

Энэхүү даалгаврын зорилго нь зүрхний мөчлөгийг үнэн зөв бичих чадвартай автомат ЭКГ -ийг дуурайх явдал байв. Үүнийг хийхийн тулд өвчтөнөөс авсан аналог дохиог олшруулж, зөвхөн ЭКГ -ийн дохиог оруулахаар шүүнэ. Үүнийг эхлээд багажийн өсгөгч ашиглан дохионы хэмжээг 1000 дахин ихэсгэсэн. Дараа нь цахилгаан дамжуулах шугамын дуу чимээг дохиогоос, мөн ЭКГ -ын тогтоосон давтамжийн хүрээнээс дээш ба түүнээс доош дуу чимээг арилгах шаардлагатай байв. Энэ нь идэвхтэй ховилын шүүлтүүр, идэвхгүй өндөр ба нам дамжуулагч шүүлтүүрийг багтаасан гэсэн үг юм. Энэхүү даалгаврын эцсийн бүтээгдэхүүн нь симуляцийн хэлхээ байсан боловч ердийн үед байдаг эсэргүүцэл ба багтаамжийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн стандарт утгыг харгалзан үзэхэд хүлээн зөвшөөрөгдсөн алдаа байсаар байв. Бүх системийг хүлээгдэж байсны дагуу гүйцэтгэсэн бөгөөд физик хэлхээнд амархан шилжих боломжтой болно.

Алхам 7: Нөөц

[1] X.-L. Ян, Г.-З. Лю, Ю.-Х. Тонг, Х. Ян, З. Сю, Q. Чэн, X. Лю, Х.-Х. Жан, Х. Б- Ван, мөн С.-Х. Тан, "Электрокардиографийн түүх, халуун цэгүүд ба чиг хандлага." Гериатрийн кардиологийн сэтгүүл: JGC, Jul-2015. [Онлайнаар]. Боломжтой: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Хандсан: 01-Dec-2020].

[2] Л. Г. Терещенко, М. Э. Жозефсон, "Ховдолын дамжуулалтын давтамжийн агуулга ба шинж чанарууд", Электрокардиологийн сэтгүүл, 2015. [Онлайн]. Боломжтой: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Хандсан: 01-Dec-2020].

[3] "Дифференциал өсгөгч-Хүчдэл хасагч", Электроникийн үндсэн хичээлүүд, 2020 оны 3-р сарын 17. [Онлайнаар]. Боломжтой: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Хандсан: 01-Dec-2020].

[4] C.-H. Чен, С.-Г. Пан, П. Кингет нар, "ЭКГ хэмжих систем", Колумбын их сургууль.

[5] S. Akwei-Sekyere, "Сохор эх үүсвэрийг салгах, долгионы шинжилгээ хийх замаар биоанагаахын дохиогоор Powerline-ийн дуу чимээг арилгах нь", PeerJ, 02-Jul-2015. [Онлайнаар]. Боломжтой: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Хандсан: 01-Dec-2020].

[6] "Band Stop Filters-ийг татгалзах шүүлтүүр гэж нэрлэдэг." Электроникийн үндсэн хичээлүүд, 2020 оны 6-р сарын 29. [Онлайнаар]. Боломжтой: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Хандсан: 01-Dec-2020].

[7] "Бага нэвтрүүлэх шүүлтүүр-Идэвхгүй RC шүүлтүүрийн заавар", Электроникийн үндсэн хичээлүүд, 2020 оны 5-р сарын 1. [Онлайнаар]. Боломжтой: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Хандсан: 01-Dec-2020].

[8] "High Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial," Electronics Basic Tutorials, 05-Mar-2019. [Онлайнаар]. Боломжтой: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Оруулсан: 01-Dec-2020].