Automated ECG- BME 305 Final Project เครดิตพิเศษ: 7 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:02

คลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG หรือ EKG) ใช้ในการวัดสัญญาณไฟฟ้าที่เกิดจากหัวใจที่เต้นและมีบทบาทสำคัญในการวินิจฉัยและการพยากรณ์โรคหลอดเลือดหัวใจ ข้อมูลบางส่วนที่ได้รับจาก ECG รวมถึงจังหวะการเต้นของหัวใจของผู้ป่วยและความแรงของจังหวะการเต้นของหัวใจ รูปคลื่น ECG แต่ละรูปถูกสร้างขึ้นโดยการวนซ้ำของวัฏจักรหัวใจ ข้อมูลจะถูกเก็บรวบรวมผ่านอิเล็กโทรดที่วางอยู่บนผิวหนังของผู้ป่วย จากนั้นสัญญาณจะถูกขยายและกรองสัญญาณรบกวนออกเพื่อวิเคราะห์ข้อมูลที่มีอยู่อย่างเหมาะสม การใช้ข้อมูลที่รวบรวมนักวิจัยไม่เพียงแต่สามารถวินิจฉัยโรคหลอดเลือดหัวใจ แต่ ECG ยังมีบทบาทสำคัญในการเพิ่มความเข้าใจและการรับรู้ถึงโรคที่คลุมเครือมากขึ้น การใช้คลื่นไฟฟ้าหัวใจช่วยปรับปรุงการรักษาสภาพต่างๆ เช่น ภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะและภาวะขาดเลือดได้อย่างมาก [1]

เสบียง:

คำแนะนำนี้มีไว้เพื่อจำลองอุปกรณ์ ECG เสมือน ดังนั้นทั้งหมดที่จำเป็นในการทดลองนี้คือคอมพิวเตอร์ที่ใช้งานได้ ซอฟต์แวร์ที่ใช้ในการจำลองต่อไปนี้คือ LTspice XVII และสามารถดาวน์โหลดได้จากอินเทอร์เน็ต

ขั้นตอนที่ 1: ขั้นตอนที่ 1: เครื่องมือขยายสัญญาณ

องค์ประกอบแรกของวงจรคือเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด ตามชื่อที่แนะนำ แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดถูกใช้เพื่อเพิ่มขนาดของสัญญาณ สัญญาณ ECG ที่ไม่ได้ขยายหรือกรองจะมีแอมพลิจูดประมาณ 5 mV ต้องขยายสัญญาณเพื่อกรองสัญญาณ อัตราขยายที่สมเหตุสมผลสำหรับวงจรนี้จะต้องมีขนาดใหญ่เพื่อให้สามารถกรองสัญญาณไฟฟ้าชีวภาพได้อย่างเหมาะสม ดังนั้นอัตราขยายของวงจรนี้จะอยู่ที่ประมาณ 1,000 รูปแบบทั่วไปของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดจะรวมอยู่ในรูปภาพสำหรับขั้นตอนนี้ [2] นอกจากนี้ สมการสำหรับเกนของวงจร ค่าที่คำนวณสำหรับแต่ละองค์ประกอบจะแสดงในภาพที่สอง [3]

อัตราขยายเป็นลบเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าถูกจ่ายให้กับขากลับด้านของแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน ค่าที่แสดงในภาพที่สองพบได้โดยการตั้งค่า R1, R2, R3 และค่าเกนเป็นค่าที่ต้องการ จากนั้นจึงแก้ไขค่า R4 สุดท้าย ภาพที่สามสำหรับขั้นตอนนี้คือวงจรจำลองใน LTspice พร้อมค่าที่แม่นยำ

ในการทดสอบวงจร ทั้งส่วนประกอบโดยรวมและส่วนประกอบแต่ละส่วน ควรทำการวิเคราะห์กระแสสลับ (AC) การวิเคราะห์รูปแบบนี้จะพิจารณาถึงขนาดของสัญญาณเมื่อความถี่เปลี่ยนไป ดังนั้นประเภทการวิเคราะห์ของสวิงการวิเคราะห์ AC ควรเป็นทศวรรษเพราะเป็นการกำหนดมาตราส่วนแกน x และเอื้อต่อการอ่านผลลัพธ์อย่างแม่นยำมากขึ้น ต่อทศวรรษ ควรมีจุดข้อมูล 100 จุด สิ่งนี้จะถ่ายทอดแนวโน้มของข้อมูลได้อย่างแม่นยำโดยไม่ต้องใช้โปรแกรมมากเกินไป ทำให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพ ค่าความถี่เริ่มต้นและหยุดควรครอบคลุมทั้งความถี่ที่ตัดออก ดังนั้นความถี่เริ่มต้นที่เหมาะสมคือ 0.01 Hz และความถี่ในการหยุดที่เหมาะสมคือ 1kHz สำหรับเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด ฟังก์ชันอินพุตคือคลื่นไซน์ที่มีขนาด 5 mV 5 mV สอดคล้องกับแอมพลิจูดมาตรฐานของสัญญาณ ECG [4] คลื่นไซน์เลียนแบบลักษณะการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณ ECG การตั้งค่าการวิเคราะห์ทั้งหมดเหล่านี้ ยกเว้นแรงดันไฟฟ้าขาเข้า จะเหมือนกันสำหรับแต่ละส่วนประกอบ

ภาพสุดท้ายคือพล็อตการตอบสนองความถี่สำหรับเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด นี่แสดงให้เห็นว่าเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัดสามารถเพิ่มขนาดของสัญญาณอินพุตได้ประมาณ 1,000 อัตราขยายที่ต้องการสำหรับเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัดคือ 1,000 อัตราขยายของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดจำลองคือ 999.6 พบได้โดยใช้สมการที่แสดงในรูปที่สอง เปอร์เซ็นต์ข้อผิดพลาดระหว่างกำไรที่ต้องการและกำไรจากการทดลองคือ 0.04% ข้อผิดพลาดนี้เป็นเปอร์เซ็นต์ที่ยอมรับได้

ขั้นตอนที่ 2: ขั้นตอนที่ 2: Notch Filter

ส่วนประกอบต่อไปที่ใช้ในวงจร ECG คือตัวกรองแบบแอคทีฟ ตัวกรองแบบแอคทีฟเป็นเพียงตัวกรองที่ต้องการพลังงานเพื่อให้ทำงานได้ สำหรับงานนี้ ตัวกรองแบบแอคทีฟที่ดีที่สุดที่จะใช้คือตัวกรองรอยบาก ตัวกรองรอยบากใช้เพื่อลบสัญญาณที่ความถี่เดียวหรือช่วงความถี่ที่แคบมาก ในกรณีของวงจรนี้ ความถี่ที่จะถอดออกด้วยตัวกรองรอยบากคือ 60 Hz 60 Hz คือความถี่ที่สายไฟทำงาน ดังนั้นจึงเป็นแหล่งกำเนิดเสียงขนาดใหญ่จากอุปกรณ์ต่างๆ Powerline noise บิดเบือนสัญญาณชีวการแพทย์และลดคุณภาพของข้อมูล [5] รูปแบบทั่วไปของตัวกรองรอยบากที่ใช้สำหรับวงจรนี้จะแสดงในรูปแรกสำหรับขั้นตอนนี้ ส่วนประกอบที่ทำงานอยู่ของตัวกรองรอยบากคือบัฟเฟอร์ที่แนบ บัฟเฟอร์ใช้เพื่อแยกสัญญาณหลังจากตัวกรองรอยบาก เนื่องจากบัฟเฟอร์เป็นส่วนหนึ่งของตัวกรองและต้องการพลังงานในการทำงาน ตัวกรองรอยบากจึงเป็นส่วนประกอบตัวกรองที่ใช้งานอยู่ของวงจรนี้

สมการสำหรับส่วนประกอบความต้านทานและตัวเก็บประจุของตัวกรองรอยบากจะแสดงในรูปที่สอง [6] ในสมการ fN คือความถี่ที่จะลบออก ซึ่งก็คือ 60 Hz เช่นเดียวกับแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด สามารถตั้งค่าตัวต้านทานหรือตัวเก็บประจุเป็นค่าใดก็ได้ และค่าอื่นที่คำนวณโดยสมการที่แสดงในรูปที่สอง สำหรับตัวกรองนี้ C ถูกกำหนดเป็นค่า 1 µF และพบค่าที่เหลือตามค่านั้น ค่าของตัวเก็บประจุถูกตัดสินตามความสะดวก ตารางในรูปภาพที่สองแสดงค่าของ 2R, R, 2C และ C ที่ใช้

ภาพที่สามสำหรับขั้นตอนนี้คือวงจรกรองรอยบากสุดท้ายที่มีค่าที่ถูกต้อง เมื่อใช้วงจรนั้น การวิเคราะห์ AC Sweep จะทำงานโดยใช้ 5V 5V สอดคล้องกับแรงดันไฟฟ้าหลังจากขยาย พารามิเตอร์การวิเคราะห์ที่เหลือจะเหมือนกับที่ระบุไว้ในขั้นตอนเครื่องขยายเสียงเครื่องมือวัด พล็อตการตอบสนองความถี่จะแสดงในรูปสุดท้าย เมื่อใช้ค่าและสมการในรูปภาพที่สอง ความถี่จริงของตัวกรองรอยบากคือ 61.2 Hz ค่าที่ต้องการสำหรับตัวกรองรอยบากคือ 60 Hz การใช้สมการข้อผิดพลาดร้อยละ มีข้อผิดพลาด 2% ระหว่างตัวกรองจำลองและตัวกรองตามทฤษฎี นี่เป็นจำนวนข้อผิดพลาดที่ยอมรับได้

ขั้นตอนที่ 3: ขั้นตอนที่ 3: ตัวกรองความถี่ต่ำ

ชิ้นส่วนสุดท้ายที่ใช้ในวงจรนี้คือตัวกรองแบบพาสซีฟ ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ตัวกรองแบบพาสซีฟคือตัวกรองที่ไม่ต้องการแหล่งพลังงานเพื่อให้สามารถทำงานได้ สำหรับ ECG จำเป็นต้องใช้ทั้งตัวกรองความถี่สูงและความถี่ต่ำเพื่อขจัดสัญญาณรบกวนออกจากสัญญาณอย่างเหมาะสม ตัวกรองแบบพาสซีฟชนิดแรกที่จะเพิ่มลงในวงจรคือตัวกรองความถี่ต่ำ ดังที่ชื่อบอกไว้ ขั้นแรกให้สัญญาณที่ต่ำกว่าความถี่ตัดผ่านเพื่อส่งผ่าน [7] สำหรับตัวกรองความถี่ต่ำ ความถี่ตัดควรเป็นขีดจำกัดบนของช่วงสัญญาณ ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ช่วงบนของสัญญาณ ECG คือ 150 Hz [2] เมื่อตั้งค่าขีดจำกัดบน สัญญาณรบกวนจากสัญญาณอื่นๆ จะไม่ถูกนำมาใช้ในการรับสัญญาณ

สมการของความถี่คัตออฟคือ f = 1 / (2 * pi * R * C) เช่นเดียวกับส่วนประกอบวงจรก่อนหน้านี้ ค่าของ R และ C สามารถพบได้โดยเสียบความถี่และตั้งค่าหนึ่งในค่าส่วนประกอบ [7] สำหรับตัวกรองความถี่ต่ำผ่าน ตัวเก็บประจุถูกตั้งค่าไว้ที่ 1 µF และความถี่ตัดที่ต้องการคือ 150 Hz โดยใช้สมการความถี่ตัด ค่าสำหรับส่วนประกอบตัวต้านทานจะถูกคำนวณเป็น 1 kΩ ภาพแรกสำหรับขั้นตอนนี้คือแผนผังตัวกรองความถี่ต่ำที่สมบูรณ์

พารามิเตอร์เดียวกันที่กำหนดไว้สำหรับตัวกรองรอยบากใช้สำหรับการวิเคราะห์ AC Sweep ของฟิลเตอร์ความถี่ต่ำที่แสดงในภาพที่สอง สำหรับส่วนประกอบนี้ ความถี่คัทออฟที่ต้องการคือ 150Hz และใช้สมการที่ 3 ความถี่คัทออฟจำลองคือ 159 Hz มีข้อผิดพลาดร้อยละ 6% เปอร์เซ็นต์ข้อผิดพลาดสำหรับส่วนประกอบนี้สูงกว่าที่ต้องการ แต่ส่วนประกอบได้รับการคัดเลือกเพื่อให้ง่ายต่อการแปลเป็นวงจรทางกายภาพ เห็นได้ชัดว่านี่เป็นตัวกรองความถี่ต่ำผ่าน ซึ่งอิงตามพล็อตการตอบสนองความถี่ในภาพที่สอง เนื่องจากมีเพียงสัญญาณที่อยู่ต่ำกว่าความถี่คัทออฟเท่านั้นที่สามารถส่งผ่านที่ 5 V และเมื่อความถี่เข้าใกล้ความถี่คัทออฟ แรงดันไฟฟ้าจะลดลง

ขั้นตอนที่ 4: ขั้นตอนที่ 4: High Pass Filter

องค์ประกอบแบบพาสซีฟที่สองสำหรับวงจร ECG คือตัวกรองความถี่สูง ตัวกรองความถี่สูงคือตัวกรองที่ช่วยให้ความถี่ใด ๆ ที่มากกว่าความถี่ตัดผ่านได้ สำหรับส่วนประกอบนี้ ความถี่คัทออฟจะเท่ากับ 0.05 Hz อีกครั้งที่ 0.05 Hz คือจุดสิ้นสุดของช่วงสัญญาณ ECG [2] แม้ว่าค่าจะน้อยมาก แต่ก็ยังต้องมีตัวกรองความถี่สูงเพื่อกรองแรงดันไฟฟ้าที่ชดเชยในสัญญาณ ดังนั้นการออกแบบวงจรจึงยังคงจำเป็น High pass filter แม้ว่าความถี่คัทออฟจะเล็กมากก็ตาม

สมการของความถี่คัตออฟเหมือนกับฟิลเตอร์โลว์พาสคัทออฟ, f = 1 / (2 * pi * R * C) ค่าตัวต้านทานถูกกำหนดเป็น 50 kΩ และความถี่ตัดที่ต้องการคือ 0.05 Hz [8] โดยใช้ข้อมูลดังกล่าว ค่าตัวเก็บประจุถูกคำนวณเป็น 63 µF รูปภาพแรกสำหรับขั้นตอนนี้คือตัวกรองความถี่สูงที่มีค่าที่เหมาะสม

การวิเคราะห์ AC Sweep เป็นตัวกรองที่สอง เช่นเดียวกับตัวกรองความถี่ต่ำ เมื่อความถี่ของสัญญาณเข้าใกล้ความถี่ตัด แรงดันเอาต์พุตจะลดลง สำหรับฟิลเตอร์กรองความถี่สูง ความถี่คัทออฟที่ต้องการคือ 0.05 Hz และความถี่คัทออฟจำลองคือ 0.0505 Hz ค่านี้คำนวณโดยใช้สมการความถี่ตัดผ่านต่ำ เปอร์เซ็นต์ข้อผิดพลาดสำหรับส่วนประกอบนี้คือ 1% นี่เป็นข้อผิดพลาดเปอร์เซ็นต์ที่ยอมรับได้

ขั้นตอนที่ 5: ขั้นตอนที่ 5: วงจรเต็ม

วงจรทั้งหมดถูกสร้างขึ้นโดยเชื่อมต่อส่วนประกอบทั้งสี่ ได้แก่ แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด ฟิลเตอร์บาก ฟิลเตอร์โลว์พาส และฟิลเตอร์ความถี่สูง เข้าด้วยกันเป็นชุด แผนภาพวงจรเต็มแสดงในภาพแรกสำหรับขั้นตอนนี้

การตอบสนองจำลองที่แสดงในรูปที่สองทำหน้าที่ตามที่คาดว่าจะขึ้นอยู่กับประเภทของส่วนประกอบที่ใช้สำหรับวงจรนี้ วงจรที่ออกแบบจะกรองสัญญาณรบกวนที่ขีดจำกัดล่างและบนของสัญญาณ ECG รวมถึงการกรองสัญญาณรบกวนจากสายไฟได้สำเร็จ ตัวกรองความถี่ต่ำสามารถขจัดสัญญาณที่ต่ำกว่าความถี่ตัดได้สำเร็จ ดังแสดงในแผนภาพการตอบสนองความถี่ ที่ 0.01 Hz สัญญาณจะถูกส่งผ่านที่ 1 V ซึ่งเป็นค่าที่น้อยกว่าเอาต์พุตที่ต้องการ 5 เท่า เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น แรงดันเอาต์พุตก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกันจนกระทั่งถึงจุดสูงสุดที่ 0.1 เฮิรตซ์ พีคอยู่ที่ประมาณ 5 V ซึ่งสอดคล้องกับอัตราขยาย 1,000 สำหรับแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด สัญญาณลดลงจาก 5 V เริ่มที่ 10 Hz เมื่อถึงเวลาที่ความถี่ 60 Hz จะไม่มีการส่งสัญญาณออกจากวงจร นี่คือจุดประสงค์ของตัวกรองรอยบากและมีจุดประสงค์เพื่อต่อต้านการรบกวนของสายไฟ หลังจากที่ความถี่เกิน 60 Hz แรงดันไฟฟ้าจะเริ่มเพิ่มขึ้นอีกครั้งตามความถี่ สุดท้าย เมื่อความถี่ถึง 110 Hz สัญญาณจะถึงจุดสูงสุดรองประมาณ 2 V จากนั้นเอาต์พุตจะลดลงเนื่องจากตัวกรองความถี่ต่ำ

ขั้นตอนที่ 6: บทสรุป

จุดประสงค์ของงานนี้เพื่อจำลอง ECG อัตโนมัติที่สามารถบันทึกวัฏจักรของหัวใจได้อย่างแม่นยำ ในการทำเช่นนี้ สัญญาณแอนะล็อกที่จะถูกนำมาจากผู้ป่วยจำเป็นต้องได้รับการขยายและกรองแล้วให้รวมเฉพาะสัญญาณ ECG เท่านั้น สิ่งนี้ทำได้โดยครั้งแรกโดยใช้เครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือเพื่อเพิ่มขนาดของสัญญาณประมาณ 1,000 เท่า จากนั้นเสียงของสายไฟจะต้องถูกลบออกจากสัญญาณเช่นเดียวกับเสียงรบกวนจากด้านบนและด้านล่างของช่วงความถี่ที่กำหนดของ ECG นี่หมายถึงการรวมตัวกรองรอยบากแบบแอคทีฟเข้ากับฟิลเตอร์กรองความถี่สูงและต่ำแบบพาสซีฟ แม้ว่าผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายสำหรับการกำหนดนี้เป็นวงจรจำลอง แต่ก็ยังมีข้อผิดพลาดที่ยอมรับได้ โดยคำนึงถึงค่ามาตรฐานสำหรับส่วนประกอบตัวต้านทานและตัวเก็บประจุตามปกติ เหนือทุกระบบทำงานตามที่คาดไว้และสามารถเปลี่ยนเป็นวงจรกายภาพได้ค่อนข้างง่าย

ขั้นตอนที่ 7: ทรัพยากร

[1] X.-L. หยาง, G.-Z. หลิว, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. จาง, H.-B. Wang และ S.-H. Tan "ประวัติ ฮอตสปอต และแนวโน้มของคลื่นไฟฟ้าหัวใจ" Journal of geriatric cardiology: JGC, Jul-2015 [ออนไลน์]. พร้อมใช้งาน: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Accessed: 01-Dec-2020].

[2] L. G. Tereshchenko และ M. E. Josephson, "เนื้อหาความถี่และลักษณะของการนำกระเป๋าหน้าท้อง" วารสารคลื่นไฟฟ้า, 2015. [ออนไลน์] พร้อมใช้งาน: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Accessed: 01-Dec-2020].

[3] “Differential Amplifier - The Voltage Subtractor” Basic Electronics Tutorials, 17-Mar-2020. [ออนไลน์]. พร้อมใช้งาน: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Accessed: 01-Dec-2020].

[4] C.-H. เฉิน, S.-G. Pan และ P. Kinget “ระบบการวัด ECG” มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย

[5] S. Akwei-Sekyere “การกำจัดสัญญาณรบกวนของ Powerline ในสัญญาณชีวการแพทย์ผ่านการแยกแหล่งสัญญาณตาบอดและการวิเคราะห์เวฟเล็ต” PeerJ, 02-Jul-2015 [ออนไลน์]. พร้อมใช้งาน: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Accessed: 01-Dec-2020].

[6] “Band Stop Filters เรียกว่า Reject Filters” Basic Electronics Tutorials, 29-Jun-2020. [ออนไลน์]. พร้อมใช้งาน: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Accessed: 01-Dec-2020].

[7] “Low Pass Filter - Passive RC Filter Tutorial,” Basic Electronics Tutorials, 01-May-2020. [ออนไลน์]. พร้อมใช้งาน: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Accessed: 01-Dec-2020].

[8] “High Pass Filter - Passive RC Filter Tutorial,” Basic Electronics Tutorials, 05-Mar-2019. [ออนไลน์]. พร้อมใช้งาน: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html [เข้าถึง: 01-ธ.ค. 2020].