Automatisiertes EKG - BME 305 Abschlussprojekt Extrakredit - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

Ein Elektrokardiogramm (EKG oder EKG) wird verwendet, um die elektrischen Signale eines schlagenden Herzens zu messen und spielt eine große Rolle bei der Diagnose und Prognose von Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Zu den Informationen, die aus einem EKG gewonnen werden, gehören der Rhythmus der Herzschläge des Patienten sowie die Stärke des Schlags. Jede EKG-Wellenform wird durch eine Iteration des Herzzyklus erzeugt. Die Daten werden durch eine auf der Haut des Patienten platzierte Elektrode gesammelt. Das Signal wird dann verstärkt und Rauschen herausgefiltert, um die vorhandenen Daten richtig zu analysieren. Mit den gesammelten Daten können Forscher nicht nur Herz-Kreislauf-Erkrankungen diagnostizieren, sondern das EKG hat auch wesentlich dazu beigetragen, das Verständnis und die Erkennung von unbekannteren Krankheiten zu verbessern. Die EKG-Einführung hat die Behandlung von Erkrankungen wie Arrhythmie und Ischämie stark verbessert [1].

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Dieses Instructable dient zur Simulation eines virtuellen EKG-Geräts und daher ist alles, was zur Durchführung dieses Experiments erforderlich ist, ein funktionierender Computer. Die für die folgenden Simulationen verwendete Software ist LTspice XVII und kann aus dem Internet heruntergeladen werden.

Schritt 1: Schritt 1: Instrumentenverstärker

Die erste Komponente der Schaltung ist ein Instrumentenverstärker. Wie der Name schon sagt, wird der Instrumentenverstärker verwendet, um die Größe des Signals zu erhöhen. Ein nicht verstärktes oder gefiltertes EKG-Signal hat eine Amplitude von ungefähr 5 mV. Um das Signal zu filtern, muss es verstärkt werden. Eine vernünftige Verstärkung für diese Schaltung müsste groß sein, damit das bioelektrische Signal geeignet gefiltert wird. Daher beträgt die Verstärkung dieser Schaltung etwa 1000. Die allgemeine Form eines Instrumentenverstärkers ist in den Bildern für diesen Schritt enthalten [2]. Zusätzlich sind im zweiten Bild die Gleichungen für die Verstärkung der Schaltung, die für jede Komponente berechneten Werte, dargestellt [3].

Die Verstärkung ist negativ, da die Spannung dem invertierenden Pin des Operationsverstärkers zugeführt wird. Die im zweiten Bild gezeigten Werte wurden gefunden, indem die Werte von R1, R2, R3 und Verstärkung als gewünschte Werte eingestellt und dann nach dem Endwert R4 aufgelöst wurden. Das dritte Bild für diesen Schritt ist die simulierte Schaltung in LTspice, komplett mit genauen Werten.

Um die Schaltung sowohl als Ganzes als auch als einzelne Komponenten zu testen, sollte eine Wechselstromanalyse (AC) durchgeführt werden. Diese Form der Analyse betrachtet die Größe des Signals, wenn sich die Frequenzen ändern. Daher sollte der Analysetyp des AC-Analyse-Sweeps eine Dekade sein, da er die Skalierung der x-Achse festlegt und für ein genaues Ablesen der Ergebnisse förderlicher ist. Pro Jahrzehnt sollen es 100 Datenpunkte geben. Dadurch werden die Trends in den Daten genau übertragen, ohne das Programm zu überarbeiten, wodurch die Effizienz gewährleistet wird. Die Werte für die Start- und Stoppfrequenz sollten beide Grenzfrequenzen umfassen. Daher beträgt eine angemessene Startfrequenz 0,01 Hz und eine angemessene Stoppfrequenz 1 kHz. Für den Instrumentenverstärker ist die Eingangsfunktion eine Sinuswelle mit einer Größe von 5 mV. 5 mV entsprechen der Standardamplitude eines EKG-Signals [4]. Eine Sinuswelle ahmt die sich ändernden Aspekte eines EKG-Signals nach. Alle diese Analyseeinstellungen, mit Ausnahme der Eingangsspannung, sind für jede Komponente gleich.

Das letzte Bild ist das Frequenzgangdiagramm für den Instrumentenverstärker. Dies zeigt, dass der Instrumentenverstärker in der Lage ist, die Größe des Eingangssignals um etwa 1000 zu erhöhen. Die gewünschte Verstärkung für den Instrumentenverstärker war 1000. Die Verstärkung des simulierten Instrumentenverstärkers beträgt 999,6, ermittelt mit der im zweiten Foto gezeigten Gleichung. Der prozentuale Fehler zwischen der gewünschten Verstärkung und der experimentellen Verstärkung beträgt 0,04 %. Dies ist ein akzeptabler prozentualer Fehler.

Schritt 2: Schritt 2: Kerbfilter

Die nächste im EKG-Kreis verwendete Komponente ist ein aktiver Filter. Ein aktiver Filter ist nur ein Filter, der Strom benötigt, um zu funktionieren. Für diese Zuordnung ist der beste zu verwendende aktive Filter ein Notch-Filter. Ein Notch-Filter wird verwendet, um Signale bei einer einzelnen Frequenz oder einem sehr engen Frequenzbereich zu entfernen. Bei dieser Schaltung beträgt die mit einem Notchfilter zu entfernende Frequenz 60 Hz. 60 Hz ist die Frequenz, mit der Stromleitungen betrieben werden, und ist daher bei Geräten eine große Geräuschquelle. Powerline-Rauschen verzerrt biomedizinische Signale und verringert die Qualität der Daten [5]. Die allgemeine Form des für diese Schaltung verwendeten Kerbfilters ist im ersten Foto für diesen Schritt gezeigt. Die aktive Komponente des Notch-Filters ist der angehängte Puffer. Der Puffer wird verwendet, um das Signal nach dem Kerbfilter zu isolieren. Da der Puffer Teil des Filters ist und zum Betrieb Strom benötigt, ist der Notch-Filter die aktive Filterkomponente dieser Schaltung.

Die Gleichung für die Widerstands- und Kondensatorkomponenten des Notch-Filters ist im zweiten Foto gezeigt [6]. In der Gleichung ist fN die zu entfernende Frequenz, die 60 Hz beträgt. Wie beim Instrumentenverstärker kann entweder der Widerstands- oder der Kondensatorwert auf einen beliebigen Wert eingestellt und der andere Wert nach der im zweiten Foto gezeigten Gleichung berechnet werden. Für diesen Filter wurde C ein Wert von 1 µF zugewiesen und die restlichen Werte wurden basierend auf diesem Wert ermittelt. Der Wert des Kondensators wurde basierend auf der Bequemlichkeit bestimmt. Die Tabelle im zweiten Foto zeigt die verwendeten Werte von 2R, R, 2C und C.

Das dritte Bild für diesen Schritt ist die letzte Kerbfilterschaltung mit genauen Werten. Unter Verwendung dieser Schaltung wurde eine AC-Sweep-Analyse mit 5 V durchgeführt. 5V entspricht der Spannung nach der Verstärkung. Die restlichen Analyseparameter sind die gleichen wie im Schritt des Instrumentierungsverstärkers angegeben. Der Frequenzgang-Plot ist im letzten Foto gezeigt. Mit den Werten und Gleichungen im zweiten Foto beträgt die tatsächliche Frequenz für den Notch-Filter 61,2 Hz. Der gewünschte Wert für das Notch-Filter war 60 Hz. Unter Verwendung der prozentualen Fehlergleichung gibt es einen Fehler von 2% zwischen dem simulierten Filter und dem theoretischen Filter. Dies ist eine akzeptable Fehlermenge.

Schritt 3: Schritt 3: Tiefpassfilter

Der letzte in dieser Schaltung verwendete Teiltyp ist der passive Filter. Wie bereits erwähnt, ist ein passiver Filter ein Filter, der keine Stromquelle benötigt, um betriebsbereit zu sein. Für ein EKG werden sowohl ein Hochpass- als auch ein Tiefpassfilter benötigt, um das Rauschen richtig aus dem Signal zu entfernen. Der erste passive Filtertyp, der der Schaltung hinzugefügt wird, ist ein Tiefpassfilter. Wie der Name schon sagt, lässt dies zunächst ein Signal unterhalb der Grenzfrequenz passieren [7]. Für den Tiefpassfilter sollte die Grenzfrequenz die obere Grenze des Signalbereichs sein. Wie bereits erwähnt, liegt der obere Bereich des EKG-Signals bei 150 Hz [2]. Durch Festlegen einer Obergrenze wird das Rauschen von anderen Signalen bei der Signalerfassung nicht verwendet.

Die Gleichung für die Grenzfrequenz lautet f = 1 / (2 * pi * R * C). Wie bei den vorherigen Schaltungskomponenten können die Werte für R und C durch Einstecken der Frequenz und Einstellen eines der Komponentenwerte ermittelt werden [7]. Für den Tiefpassfilter wurde der Kondensator auf 1 µF eingestellt und die gewünschte Grenzfrequenz beträgt 150 Hz. Unter Verwendung der Grenzfrequenzgleichung wird der Wert für die Widerstandskomponente zu 1 kΩ berechnet. Das erste Bild für diesen Schritt ist ein vollständiges Schema des Tiefpassfilters.

Die gleichen Parameter, die für das Notch-Filter definiert wurden, werden für die AC-Sweep-Analyse des Tiefpassfilters verwendet, die im zweiten Bild gezeigt wird. Für diese Komponente beträgt die gewünschte Grenzfrequenz 150 Hz und mit Gleichung 3 beträgt die simulierte Grenzfrequenz 159 Hz. Dies hat einen prozentualen Fehler von 6%. Der prozentuale Fehler für diese Komponente ist höher als bevorzugt, aber die Komponenten wurden ausgewählt, um die Übersetzung in eine physikalische Schaltung zu erleichtern. Dies ist eindeutig ein Tiefpassfilter, basierend auf dem Frequenzgangdiagramm im zweiten Bild, da nur das Signal unterhalb der Grenzfrequenz bei 5 V passieren kann und wenn sich die Frequenz der Grenzfrequenz nähert, nimmt die Spannung ab.

Schritt 4: Schritt 4: Hochpassfilter

Die zweite passive Komponente für die EKG-Schaltung ist der Hochpassfilter. Ein Hochpassfilter ist ein Filter, der jede Frequenz über der Grenzfrequenz passieren lässt. Für diese Komponente beträgt die Grenzfrequenz 0,05 Hz. Auch hier sind 0,05 Hz das untere Ende des Bereichs der EKG-Signale [2]. Auch wenn der Wert so klein ist, muss noch ein Hochpassfilter vorhanden sein, um jegliche Spannungsabweichung im Signal herauszufiltern. Daher ist der Hochpassfilter immer noch innerhalb des Schaltungsdesigns erforderlich, obwohl die Grenzfrequenz so klein ist.

Die Gleichung für die Cutoff-Frequenz ist dieselbe wie beim Tiefpass-Cutoff-Filter, f = 1 / (2 * pi * R * C). Der Widerstandswert wurde auf 50 kΩ eingestellt und die gewünschte Grenzfrequenz beträgt 0,05 Hz [8]. Unter Verwendung dieser Informationen wurde der Kondensatorwert auf 63 µF berechnet. Das erste Bild für diesen Schritt ist der Hochpassfilter mit den entsprechenden Werten.

Die AC-Sweep-Analyse ist der zweite Filter. Wie beim Tiefpassfilter nimmt die Ausgangsspannung ab, wenn sich die Frequenz des Signals der Grenzfrequenz nähert. Für den Hochpassfilter beträgt die gewünschte Grenzfrequenz 0,05 Hz und die simulierte Grenzfrequenz 0,0505 Hz. Dieser Wert wurde unter Verwendung der Tiefpass-Grenzfrequenzgleichung berechnet. Der prozentuale Fehler für diese Komponente beträgt 1 %. Dies ist ein akzeptabler prozentualer Fehler.

Schritt 5: Schritt 5: Voller Stromkreis

Die gesamte Schaltung ist aufgebaut, indem die vier Komponenten Instrumentenverstärker, Kerbfilter, Tiefpassfilter und Hochpassfilter in Reihe geschaltet werden. Der vollständige Schaltplan ist im ersten Bild für diesen Schritt gezeigt.

Die in der zweiten Abbildung gezeigte simulierte Reaktion verhält sich so, wie sie auf der Grundlage der für diese Schaltung verwendeten Komponententypen erwartet wurde. Die entworfene Schaltung filtert Rauschen sowohl an der unteren als auch an der oberen Grenze des EKG-Signals heraus und filtert erfolgreich Rauschen aus Stromleitungen heraus. Der Tiefpassfilter entfernt erfolgreich das Signal unterhalb der Grenzfrequenz. Wie im Frequenzgangdiagramm gezeigt, wird das Signal bei 0,01 Hz mit 1 V durchgeleitet, einem Wert, der fünfmal niedriger ist als der gewünschte Ausgang. Mit steigender Frequenz steigt auch die Ausgangsspannung, bis sie ihre Spitzen bei 0,1 Hz erreicht. Der Spitzenwert liegt bei etwa 5 V, was auf eine Verstärkung von 1000 für den Instrumentenverstärker abgestimmt ist. Das Signal nimmt ab 5 V ab 10 Hz ab. Wenn die Frequenz 60 Hz beträgt, wird kein Signal von der Schaltung ausgegeben. Dies war der Zweck des Notch-Filters und sollte den Störungen der Stromleitungen entgegenwirken. Nachdem die Frequenz 60 Hz überschreitet, beginnt die Spannung wieder mit der Frequenz zu steigen. Sobald die Frequenz 110 Hz erreicht, erreicht das Signal schließlich eine sekundäre Spitze von etwa 2 V. Von dort aus nimmt die Leistung aufgrund des Tiefpassfilters ab.

Schritt 6: Fazit

Der Zweck dieser Aufgabe bestand darin, ein automatisiertes EKG zu simulieren, das in der Lage ist, den Herzzyklus genau aufzuzeichnen. Dazu musste das analoge Signal, das einem Patienten entnommen worden wäre, verstärkt und dann so gefiltert werden, dass es nur das EKG-Signal enthält. Dies wurde erreicht, indem zuerst ein Instrumentenverstärker verwendet wurde, um die Größe des Signals ungefähr 1000-mal zu erhöhen. Dann musste das Rauschen von Stromleitungen aus dem Signal sowie Rauschen oberhalb und unterhalb des vorgesehenen Frequenzbereichs eines EKGs entfernt werden. Dies bedeutete den Einbau eines aktiven Notch-Filters sowie passiver Hoch- und Tiefpassfilter. Obwohl das Endprodukt für diese Aufgabe eine simulierte Schaltung war, gab es noch einige akzeptable Fehler unter Berücksichtigung der normalerweise verfügbaren Standardwerte für ohmsche und kapazitive Komponenten. Insgesamt funktionierte das System wie erwartet und könnte ziemlich einfach in eine physische Schaltung überführt werden.

Schritt 7: Ressourcen

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang und S.-H. Tan, „Die Geschichte, Hotspots und Trends des Elektrokardiogramms“, Journal of geriatric Cardiology: JGC, Juli 2015. [Online]. Verfügbar: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Zugriff: 01-Dez-2020].

[2] L. G. Tereshchenko und M. E. Josephson, „Frequenzinhalt und Eigenschaften der ventrikulären Überleitung“, Journal of Electrocardiology, 2015. [Online]. Verfügbar: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Zugriff: 01-Dez-2020].

[3] "Differentialverstärker - Der Spannungssubtrahierer", Grundlagen der Elektronik-Tutorials, 17. März 2020. [Online]. Verfügbar: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Zugriff: 01-Dez-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan und P. Kinget, „ECG Measurement System“, Columbia University.

[5] S. Akwei-Sekyere, „Powerline Noise Eliminierung in biomedizinischen Signalen durch blinde Quellentrennung und Wavelet-Analyse“, PeerJ, 02.07.2015. [Online]. Verfügbar: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Zugriff: 01-Dez-2020].

[6] „Bandsperrenfilter werden Reject-Filter genannt“, Basic Electronics Tutorials, 29. Juni 2020. [Online]. Verfügbar: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Zugriff: 01-Dez-2020].

[7] "Tiefpassfilter - Passives RC-Filter-Tutorial", Grundlagen der Elektronik-Tutorials, 01. Mai 2020. [Online]. Verfügbar: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Zugriff: 01-Dez-2020].

[8] „Hochpassfilter – Passives RC-Filter-Tutorial“, Grundlagen der Elektronik-Tutorials, 05.03.2019. [Online]. Verfügbar: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Zugriff: 01. Dez. 2020].