Ավտոմատ ԷՍԳ- BME 305 Վերջնական ծրագրի լրացուցիչ վարկ ՝ 7 քայլ

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:45

Էլեկտրասրտագրություն (ԷՍԳ կամ ԷԿԳ) օգտագործվում է բաբախող սրտի արտադրած էլեկտրական ազդանշանները չափելու համար և այն մեծ դեր է խաղում սրտանոթային հիվանդությունների ախտորոշման և կանխատեսման մեջ: ԷԿԳ -ից ստացված որոշ տեղեկություններ ներառում են հիվանդի սրտի բաբախյունների ռիթմը, ինչպես նաև զարկի ուժգնությունը: Յուրաքանչյուր ԷՍԳ ալիքի ձև ձևավորվում է սրտի ցիկլի կրկնությամբ: Տվյալները հավաքվում են հիվանդի մաշկի վրա տեղադրված էլեկտրոդի միջոցով: Ազդանշանն այնուհետև ուժեղանում է, և աղմուկը զտվում է `առկա տվյալները ճիշտ վերլուծելու համար: Օգտագործելով հավաքագրված տվյալները ՝ հետազոտողները կարող են ոչ միայն ախտորոշել սրտանոթային հիվանդությունները, այլև ԷՍԳ -ն մեծ դեր է խաղացել ավելի անհասկանալի հիվանդությունների ընկալումն ու ճանաչումը մեծացնելու գործում: ԷՍԳ -ի իրականացումը մեծապես բարելավել է այնպիսի պայմանների բուժումը, ինչպիսիք են առիթմիան և իշեմիան [1]:

Պարագաներ:

Այս Instructable- ը վիրտուալ ԷՍԳ սարքի մոդելավորման համար է, և, հետևաբար, այն, ինչ պահանջվում է այս փորձը անցկացնելու համար, աշխատող համակարգիչ է: Հետևյալ մոդելավորման համար օգտագործվող ծրագրակազմը LTspice XVII է և այն կարելի է ներբեռնել ինտերնետից:

Քայլ 1: Քայլ 1: Գործիքների ուժեղացուցիչ

Շղթայի առաջին բաղադրիչը գործիքավորման ուժեղացուցիչն է: Ինչպես ցույց է տալիս անունը, գործիքի ուժեղացուցիչը օգտագործվում է ազդանշանի մեծությունը մեծացնելու համար: ԷՍԳ ազդանշանը, որն ուժեղացված կամ զտված չէ, մոտավորապես 5 մՎ ամպլիտուդ է: Ազդանշանը զտելու համար այն պետք է ուժեղացնել: Այս շղթայի ողջամիտ շահույթը պետք է մեծ լինի, որպեսզի կենսաէլեկտրական ազդանշանը համապատասխան կերպով զտվի: Հետևաբար, այս շղթայի շահույթը կկազմի մոտ 1000: Գործիքային ուժեղացուցիչի ընդհանուր ձևը ներառված է այս քայլի պատկերներում [2]: Ի լրումն սխեմայի շահույթի հավասարումների, արժեքները, որոնք հաշվարկվել են յուրաքանչյուր բաղադրիչի համար, ցուցադրվում են երկրորդ նկարում [3]:

Շահույթը բացասական է, քանի որ լարումը մատակարարվում է գործառնական ուժեղացուցիչի շրջադարձային քորոցին: Երկրորդ պատկերում ցուցադրված արժեքները հայտնաբերվել են ՝ սահմանելով R1, R2, R3 արժեքները և ձեռք բերել ցանկալի արժեքներ, այնուհետև լուծել վերջնական R4 արժեքը: Այս քայլի երրորդ պատկերը LTspice- ի մոդելավորված միացումն է ՝ ամբողջական ճշգրիտ արժեքներով:

Շղթան փորձարկելու համար, որպես ամբողջություն և առանձին բաղադրիչներ, պետք է իրականացվի փոփոխական հոսանքի (AC) վերլուծություն: Վերլուծության այս ձևը նայում է ազդանշանի մեծությանը, երբ հաճախականությունները փոխվում են: Հետևաբար, AC վերլուծության մաքրման վերլուծության տեսակը պետք է տևի տասնամյակ, քանի որ այն սահմանում է x առանցքի մասշտաբավորումը և ավելի նպաստավոր է արդյունքները ճշգրիտ ընթերցելու համար: Տասնամյակի ընթացքում պետք է լինի 100 տվյալների միավոր: Սա ճշգրիտ կերպով կփոխանցի տվյալների միտումները `առանց ծրագրի գերծանրաբեռնվածության, ապահովելով արդյունավետություն: Մեկնարկի և կանգառի հաճախականությունների արժեքները պետք է ներառեն երկու անջատված հաճախականություններ: Հետևաբար, ողջամիտ մեկնարկային հաճախականությունը 0.01 Հց է, իսկ դադարեցման ողջամտությունը `1 կՀց: Գործիքների ուժեղացուցիչի համար մուտքային գործառույթը սինուսային ալիք է ՝ 5 մՎ մագնիտուդով: 5 մՎ -ն համապատասխանում է ԷՍԳ ազդանշանի ստանդարտ ամպլիտուդին [4]: Սինուսային ալիքը ընդօրինակում է ԷՍԳ ազդանշանի փոփոխվող կողմերը: Վերլուծության այս բոլոր պարամետրերը, բացառությամբ մուտքային լարման, նույնն են յուրաքանչյուր բաղադրիչի համար:

Վերջնական պատկերը գործիքային ուժեղացուցիչի հաճախականությունների արձագանքի գծապատկերն է: Սա ցույց է տալիս, որ գործիքավորման ուժեղացուցիչը ունակ է մեծացնել մուտքային ազդանշանի մեծությունը մոտ 1000 -ով: Գործիքային ուժեղացուցիչի ցանկալի շահույթը 1000 էր: Գործիքների մոդելավորված ուժեղացուցիչի շահույթը 999.6 է, որը հայտնաբերվել է երկրորդ լուսանկարում ներկայացված հավասարման միջոցով: Errorանկալի շահույթի և փորձնական շահույթի միջև տոկոսային սխալը կազմում է 0.04%: Սա թույլատրելի տոկոսային սխալ է:

Քայլ 2: Քայլ 2. Notch զտիչ

ԷԿԳ -ի սխեմայում օգտագործվող հաջորդ բաղադրիչը ակտիվ զտիչ է: Ակտիվ զտիչը պարզապես այն զտիչն է, որը գործելու համար էներգիա է պահանջում: Այս առաջադրանքի համար օգտագործվող լավագույն ակտիվ ֆիլտրը խազ ֆիլտրն է: Խազ ֆիլտրը օգտագործվում է մեկ հաճախականությամբ կամ շատ նեղ հաճախականությամբ ազդանշանը հեռացնելու համար: Այս սխեմայի դեպքում խազ ֆիլտրով հեռացնելու հաճախականությունը 60 Հց է: 60 Հց հաճախականությունն է, որով աշխատում են էլեկտրահաղորդման գծերը, ուստի սարքերի հետ աղմուկի մեծ աղբյուր է: Էլեկտրահաղորդման աղմուկը աղավաղում է կենսաբժշկական ազդանշանները և նվազեցնում տվյալների որակը [5]: Այս սխեմայի համար օգտագործվող խազ ֆիլտրի ընդհանուր ձևը ներկայացված է այս քայլի առաջին լուսանկարում: Խազի ֆիլտրի ակտիվ բաղադրիչը բուֆերն է, որը կցված է: Բուֆերն օգտագործվում է ազդանշանը մեկուսացնելու համար ՝ խազ ֆիլտրից հետո: Քանի որ բուֆերը ֆիլտրի մի մասն է, և այն աշխատելու համար էներգիա է պետք, խազ ֆիլտրը այս շրջանի ակտիվ ֆիլտրի բաղադրիչն է:

Խազի ֆիլտրի դիմադրողական և կոնդենսատորային բաղադրիչների հավասարումը ներկայացված է երկրորդ լուսանկարում [6]: Հավասարում fN- ը հեռացման հաճախականությունն է, որը 60 Հց է: Ինչպես գործիքավորման ուժեղացուցիչը, կամ դիմադրության կամ կոնդենսատորի արժեքը կարող է սահմանվել ցանկացած արժեքի վրա, իսկ մյուս արժեքը հաշվարկվում է երկրորդ լուսանկարում ներկայացված հավասարման միջոցով: Այս զտիչի համար C- ին հատկացվել է 1 μF արժեք, իսկ մնացած արժեքները գտնվել են այդ արժեքի հիման վրա: Կոնդենսատորի արժեքը որոշվեց `ելնելով հարմարությունից: Երկրորդ լուսանկարի աղյուսակը ցույց է տալիս օգտագործված 2R, R, 2C և C արժեքները:

Այս քայլի երրորդ պատկերը ճշգրիտ արժեքներով վերջնական խազ ֆիլտրի միացումն է: Այդ սխեմայի միջոցով AC Sweep վերլուծությունն իրականացվել է 5 Վ լարման միջոցով: 5V- ն համապատասխանում է ուժեղացումից հետո լարման հետ: Մնացած վերլուծության պարամետրերը նույնն են, ինչ նշված էր գործիքավորման ուժեղացուցիչի քայլում: Հաճախականությունների արձագանքի գծապատկերը ցուցադրվում է վերջնական լուսանկարում: Օգտագործելով երկրորդ լուսանկարի արժեքներն ու հավասարումները ՝ խազ ֆիլտրի իրական հաճախականությունը 61,2 Հց է: Theանկված ֆիլտրի համար ցանկալի արժեքը 60 Հց էր: Օգտագործելով տոկոսային սխալի հավասարումը ՝ մոդելավորված և տեսական զտիչի միջև կա 2% սխալ: Սա ընդունելի չափի սխալ է:

Քայլ 3: Քայլ 3: Passածր փոխանցման զտիչ

Այս միացումում օգտագործվող մասի վերջին տեսակը պասիվ ֆիլտրն է: Ինչպես արդեն նշվեց, պասիվ ֆիլտրը այն զտիչն է, որը շահագործման համար չի պահանջում էներգիայի աղբյուր: ԷՍԳ -ի համար ազդանշանից աղմուկը պատշաճ կերպով հեռացնելու համար անհրաժեշտ են ինչպես բարձր, այնպես էլ ցածր անցման ֆիլտրեր: Շղթայում ավելացվող պասիվ ֆիլտրի առաջին տեսակը ցածր փոխանցման զտիչ է: Ինչպես անունն է հուշում, սա առաջին հերթին թույլ է տալիս անջատման հաճախականությունից ցածր ազդանշան անցնել [7]: Passածր անցման ֆիլտրի համար անջատման հաճախականությունը պետք է լինի ազդանշանի տիրույթի վերին սահմանը: Ինչպես արդեն նշվեց, ԷՍԳ ազդանշանի վերին տիրույթը 150 Հց է [2]: Վերին սահման սահմանելով ՝ այլ ազդանշաններից աղմուկը չի օգտագործվում ազդանշանի ձեռքբերման մեջ:

Անջատված հաճախականության հավասարումը f = 1 / (2 * pi * R * C) է: Ինչպես սխեմայի նախորդ բաղադրիչներին, այնպես էլ R- ի և C- ի արժեքները կարելի է գտնել `հաճախականությունը միացնելով և բաղադրիչներից մեկին սահմանելով [7]: Lowածր անցման ֆիլտրի համար կոնդենսատորը սահմանվել է 1 μF, իսկ անջատման ցանկալի հաճախականությունը `150 Հց: Օգտագործելով անջատված հաճախականության հավասարումը, դիմադրության բաղադրիչի արժեքը հաշվարկվում է 1 կՕմ: Այս քայլի առաջին պատկերը ցածր անցման ֆիլտրի ամբողջական սխեմատիկ է:

Parametersածր ֆիլտրի համար սահմանված նույն պարամետրերը օգտագործվում են ցածր պատկերով AC զտիչ վերլուծության համար, որը ցույց է տրված երկրորդ նկարում: Այս բաղադրիչի համար ցանկալի ընդհատման հաճախականությունը 150 Հց է, և օգտագործելով բանաձև 3 -ը, մոդելավորված անջատման հաճախականությունը 159 Հց է: Սա ունի 6%տոկոսային սխալ: Այս բաղադրիչի տոկոսային սխալը նախընտրածից բարձր է, բայց բաղադրիչներն ընտրվել են ֆիզիկական շղթայի թարգմանության հեշտության համար: Սա ակնհայտորեն ցածր անցումային ֆիլտր է ՝ հիմնված երկրորդ պատկերի հաճախականության արձագանքի գծապատկերին, քանի որ միայն անջատիչ հաճախականությունից ցածր ազդանշանը կարող է անցնել 5 Վ -ով, և քանի որ հաճախականությունը մոտենում է անջատման հաճախականությանը, լարումը նվազում է:

Քայլ 4: Քայլ 4. Բարձր փոխանցման զտիչ

ԷՍԳ -ի միացման երկրորդ պասիվ բաղադրիչը բարձր անցման ֆիլտրն է: Բարձր փոխանցման ֆիլտրը այն զտիչն է, որը թույլ է տալիս անցնել անջատման հաճախականությունից ավելի մեծ հաճախականություն: Այս բաղադրիչի համար անջատման հաճախականությունը կլինի 0.05 Հց: Կրկին 0.05 Հց ԷՍԳ ազդանշանների տիրույթի ստորին վերջն է [2]: Չնայած արժեքը այնքան փոքր է, բայց դեռ պետք է լինի բարձր փոխանցման զտիչ `ազդանշանի ցանկացած լարման անջատման համար զտելու համար: Հետևաբար, բարձր անցումային ֆիլտրը դեռ անհրաժեշտ է շղթայի նախագծման շրջանակներում, չնայած կտրման հաճախականությունը այնքան փոքր է:

Անջատման հաճախականության հավասարումը նույնն է, ինչ ցածր անցման անջատիչ ֆիլտրը, f = 1 / (2 * pi * R * C): Ռեզիստորի արժեքը սահմանվել է 50 kΩ, իսկ անջատման ցանկալի հաճախականությունը `0.05 Հց [8]: Օգտագործելով այդ տեղեկատվությունը, կոնդենսատորի արժեքը հաշվարկվել է 63 μF: Այս քայլի առաջին պատկերը բարձր արժեք ունեցող զտիչն է `համապատասխան արժեքներով:

AC Sweep Analysis- ը երկրորդ զտիչն է: Theածր անցման ֆիլտրի նման, երբ ազդանշանի հաճախականությունը մոտենում է անջատման հաճախականությանը, ելքային լարումը նվազում է: Բարձր փոխանցման ֆիլտրի համար անջատման ցանկալի հաճախականությունը 0,05 Հց է, իսկ ընդօրինակված անջատման հաճախականությունը `0,0505 Հց: Այս արժեքը հաշվարկվել է ցածր անցման հաճախականության հավասարման միջոցով: Այս բաղադրիչի տոկոսային սխալը կազմում է 1%: Սա թույլատրելի տոկոսային սխալ է:

Քայլ 5: Քայլ 5. Լրիվ միացում

Ամբողջ սխեման կառուցված է չորս բաղադրիչների, գործիքավորման ուժեղացուցիչի, խազի ֆիլտրի, ցածր անցման ֆիլտրի և բարձր անցման ֆիլտրի միացման միջոցով: Այս քայլի առաջին պատկերում ներկայացված է ամբողջական սխեմայի սխեման:

Երկրորդ նկարում ներկայացված մոդելավորված պատասխանը գործում է այնպես, ինչպես ակնկալվում էր, որ այն կհիմնվի այս շղթայի համար օգտագործվող բաղադրիչների տեսակների վրա: Շրջանը, որը նախագծված է, զտում է աղմուկը ԷԿԳ ազդանշանի ինչպես ստորին, այնպես էլ վերին սահմաններում, ինչպես նաև հաջողությամբ զտում է աղմուկը էլեկտրահաղորդման գծերից: Ածր անցման ֆիլտրը հաջողությամբ հեռացնում է անջատված հաճախականությունից ցածր ազդանշանը: Ինչպես ցույց է տրված Հաճախականության արձագանքի գծապատկերում, 0.01 Հց -ով, ազդանշանը անցնում է 1 Վ -ով, արժեք, որը 5 անգամ փոքր է ցանկալի ելքից: Քանի որ հաճախականությունը մեծանում է, ելքային լարումը նույնպես մեծանում է մինչև իր գագաթներին հասնելը `0.1 Հց: Գագաթը մոտ 5 Վ է, որը հավասարեցված է գործիքային ուժեղացուցիչի 1000 շահույթի հետ: Ազդանշանը նվազում է 5 Վ -ից ՝ սկսած 10 Հց -ից: Մինչև 60 Հց հաճախականությունը, շղթայի կողմից ազդանշան չի արձակվում: Սա եղել է խազի ֆիլտրի նպատակը և դրա նպատակն է հակազդել էլեկտրահաղորդման գծերի միջամտությանը: Այն բանից հետո, երբ հաճախականությունը գերազանցում է 60 Հց -ը, լարումը կրկին սկսում է հաճախականությամբ աճել: Ի վերջո, երբ հաճախականությունը հասնում է 110 Հց -ի, ազդանշանը հասնում է որպես երկրորդական գագաթ `մոտավորապես 2 Վ -ից: Այդտեղից ելքը նվազում է ցածր անցման զտիչի պատճառով:

Քայլ 6: Եզրակացություն

Այս առաջադրանքի նպատակն էր մոդելավորել ավտոմատացված ԷՍԳ -ն, որը կարող է ճշգրիտ գրանցել սրտի ցիկլը: Դա անելու համար անհրաժեշտ է, որ անալոգային ազդանշանը, որը վերցված կլիներ հիվանդից, ուժեղացնել, այնուհետև զտել ՝ ներառելով միայն ԷԿԳ ազդանշանը: Դա կատարվեց ՝ օգտագործելով գործիքավորման ուժեղացուցիչ ՝ ազդանշանի մեծությունը մոտ 1000 անգամ բարձրացնելու համար: Այնուհետև էլեկտրահաղորդման գծերի աղմուկը պետք է հեռացվեր ազդանշանից, ինչպես նաև ԷՍԳ -ի նշանակված հաճախականությունների վերևից և ներքևից եկող աղմուկը: Սա նշանակում էր ներառել ակտիվ խազ ֆիլտր, ինչպես նաև պասիվ բարձր և ցածր փոխանցման զտիչներ: Թեև այս առաջադրանքի վերջնական արտադրանքը մոդելավորված միացում էր, այնուամենայնիվ, որոշ ընդունելի սխալ կար ՝ հաշվի առնելով սովորաբար առկա դիմադրողական և տարողունակ բաղադրիչների ստանդարտ արժեքները: Ամբողջ համակարգն իրականացրել է սպասվածի պես և բավականին հեշտությամբ կարող է անցնել ֆիզիկական շղթայի:

Քայլ 7: Ռեսուրսներ

[1] X.-L. Յանգ, Գ.-Z. Լյու, Յ.-Հ. Տոնգ, Հ. Յան,.. Սյու, Ք. Չեն, Խ. Լիու, Հ.-Հ. Hanանգ, Հ.-Բ. Վանգը, և Ս.-Հ. Թան, «Էլեկտրասրտագրության պատմություն, թեժ կետեր և միտումներ», «Տարեց սրտաբանական ամսագիր». JGC, հուլիս -2015: [Առցանց]: Հասանելի է ՝ https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [հասանելի է ՝ 01-դեկտեմբեր -2020]:

[2] L. G. Tereshchenko and M. E. Josephson, “Frequency content and features of ventricular conduction,” Journal of electrocardiology, 2015. [Online]: Հասանելի է ՝ https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [հասանելի է ՝ 01-դեկտեմբեր -2020]:

[3] «Դիֆերենցիալ ուժեղացուցիչ-լարման հանիչ», Էլեկտրոնիկայի հիմնական ձեռնարկներ, 17-մարտ -2020: [Առցանց]: Հասանելի է ՝ https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Մուտք `01-դեկտեմբեր -2020]:

[4] C.-H. Չեն, Ս.-Գ. Pan, and P. Kinget, “ECG Measurement System”, Columbia University.

[5] S. Akwei-Sekyere, «Էլեկտրահաղորդման աղմուկի վերացումը կենսաբժշկական ազդանշաններում ՝ կույր աղբյուրների անջատման և ալիքների վերլուծության միջոցով», PeerJ, 02-հուլիս -2015: [Առցանց]: Հասանելի է ՝ https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [հասանելի է ՝ 01-դեկտեմբեր -2020]:

[6] «Band Stop զտիչները կոչվում են մերժման զտիչներ», Basic Electronics Tutorials, 29-Jun-2020. [Առցանց]: Հասանելի է ՝ https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Մուտք `01-դեկտեմբեր -2020]:

[7] «Low Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial», Basic Electronics Tutorials, 01-May-2020. [Առցանց]: Հասանելի է ՝ https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [հասանելի է ՝ 01-դեկ -2020]:

[8] «High Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial», Basic Electronics Tutorials, 05-Mar-2019. [Առցանց]: Հասանելի է ՝ https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html: [Մուտք `01-դեկտեմբեր -2020]: