Kujiendesha kwa ECG- BME 305 Mwisho wa Mradi wa Ziada: 7 Hatua

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:48

Electrocardiogram (ECG au EKG) hutumiwa kupima ishara za umeme zinazozalishwa na moyo unaopiga na ina jukumu kubwa katika utambuzi na ubashiri wa ugonjwa wa moyo na mishipa. Baadhi ya habari zilizopatikana kutoka kwa ECG ni pamoja na densi ya mapigo ya moyo wa mgonjwa na vile vile nguvu ya kipigo. Kila fomu ya wimbi la ECG hutengenezwa na upunguzaji wa mzunguko wa moyo. Takwimu hukusanywa kupitia elektroni iliyowekwa kwenye ngozi ya mgonjwa. Ishara hiyo hukuzwa na kelele huchujwa ili kuchambua vizuri data iliyopo. Kutumia data iliyokusanywa watafiti hawawezi tu kugundua magonjwa ya moyo na mishipa, lakini ECG pia imekuwa na jukumu kubwa katika kuongeza uelewa na utambuzi wa magonjwa yasiyofahamika zaidi. Utekelezaji wa ECG umeboresha sana matibabu ya hali kama vile arrhythmia na ischemia [1].

Ugavi:

Agizo hili ni kwa kuiga kifaa halisi cha ECG na kwa hivyo yote ambayo inahitajika kufanya jaribio hili ni kompyuta inayofanya kazi. Programu inayotumika kwa uigaji ufuatao ni LTspice XVII na inaweza kupakuliwa kutoka kwa wavuti.

Hatua ya 1: Hatua ya 1: Kikuza vifaa

Sehemu ya kwanza ya mzunguko ni vifaa vya kuongeza sauti. Kama jina linavyopendekeza, kipaza sauti cha vifaa hutumiwa kuongeza ukubwa wa ishara. Ishara ya ECG ambayo haikukuzwa au kuchujwa ni takriban 5 mV kwa amplitude. Ili kuchuja ishara, inahitaji kupanuliwa. Faida inayofaa kwa mzunguko huu inapaswa kuwa kubwa ili ishara ya bioelectri ichujwe ipasavyo. Kwa hivyo, faida ya mzunguko huu itakuwa karibu 1000. Fomu ya jumla ya vifaa vya kuongeza sauti imejumuishwa kwenye picha za hatua hii [2]. Kwa kuongezea hesabu za faida ya mzunguko, maadili ambayo yamehesabiwa kwa kila sehemu yanaonyeshwa kwenye picha ya pili [3].

Faida ni hasi kwa sababu voltage hutolewa kwa pini ya inverting ya amplifier ya kazi. Thamani zilizoonyeshwa kwenye picha ya pili zilipatikana kwa kuweka maadili ya R1, R2, R3, na kupata kama maadili unayotaka na kisha utatue kwa thamani ya mwisho R4. Picha ya tatu ya hatua hii ni mzunguko ulioiga katika LTspice, kamili na maadili sahihi.

Ili kujaribu mzunguko, kwa ujumla na kama vifaa vya kibinafsi, uchambuzi wa sasa wa AC (AC) unapaswa kuendeshwa. Njia hii ya uchambuzi inaangalia ukubwa wa ishara kadri masafa hubadilika. Kwa hivyo, aina ya uchambuzi wa kufagia uchambuzi wa AC inapaswa kuwa muongo kwa sababu inaweka upeo wa x-axis na inafaa zaidi kusoma kwa usahihi matokeo. Kwa muongo mmoja, inapaswa kuwa na alama 100 za data. Hii itafikisha kwa usahihi mwenendo wa data bila kufanya kazi kupita kiasi kwenye programu, kuhakikisha ufanisi. Thamani za kuanza na kusimama zinapaswa kujumuisha masafa yaliyokatwa. Kwa hivyo, masafa ya kuanzia yenye busara ni 0.01 Hz na masafa ya kusimamisha ya busara ni 1kHz. Kwa kipaza sauti cha vifaa, kazi ya kuingiza ni wimbi la sine na ukubwa wa 5 mV. 5 mV inalingana na kiwango cha kawaida cha ishara ya ECG [4]. Wimbi la sine linaiga mabadiliko ya ishara ya ECG. Mipangilio hii yote ya uchambuzi, isipokuwa voltage ya pembejeo, ni sawa kwa kila sehemu.

Picha ya mwisho ni njama ya majibu ya masafa ya kiboreshaji cha vifaa. Hii inaonyesha kuwa kipaza sauti cha vifaa kinaweza kuongeza ukubwa wa ishara ya kuingiza kwa karibu 1000. Faida inayotakikana ya kifaa cha kuongeza vifaa ilikuwa 1000. Faida ya kipaza sauti cha vifaa vya kuiga ni 999.6, iliyopatikana ikitumia mwendo ulioonyeshwa kwenye picha ya pili. Hitilafu ya asilimia kati ya faida inayotarajiwa na faida ya majaribio ni 0.04%. Hii ni kiwango kinachokubalika cha makosa ya asilimia.

Hatua ya 2: Hatua ya 2: Kichujio cha Notch

Sehemu inayofuata inayotumiwa katika mzunguko wa ECG ni kichujio kinachotumika. Kichujio kinachotumika ni kichujio tu ambacho kinahitaji nguvu ili kufanya kazi. Kwa kazi hii, kichujio bora kinachoweza kutumiwa ni kichujio cha notch. Kichujio cha notch hutumiwa kuondoa ishara kwa masafa moja au safu nyembamba sana ya masafa. Katika kesi ya mzunguko huu, masafa ya kuondolewa na kichujio cha notch ni 60 Hz. 60 Hz ni masafa ambayo laini za umeme zinafanya kazi na kwa hivyo ni chanzo kikubwa cha kelele na vifaa. Kelele ya umeme hupotosha ishara za biomedical na hupunguza ubora wa data [5]. Fomu ya jumla ya kichujio cha notch kilichotumiwa kwa mzunguko huu imeonyeshwa kwenye picha ya kwanza ya hatua hii. Sehemu inayotumika ya kichungi cha notch ni bafa ambayo imeambatishwa. Bafa hutumiwa kutenganisha ishara baada ya kichungi cha notch. Kwa kuwa bafa ni sehemu ya kichungi na inahitaji nguvu ya kufanya kazi, kichujio cha notch ni sehemu ya kichungi inayotumika ya mzunguko huu.

Mlinganisho wa vifaa vya kupinga na vya capacitor vya kichungi cha notch imeonyeshwa kwenye picha ya pili [6]. Katika equation, fN ni masafa ya kuondolewa, ambayo ni 60 Hz. Kama vile kipaza sauti cha vifaa, aidha kipinga au thamani ya capacitor inaweza kuwekwa kwa thamani yoyote na thamani nyingine iliyohesabiwa na equation iliyoonyeshwa kwenye picha ya pili. Kwa kichujio hiki, C ilipewa thamani ya 1 µF na maadili mengine yalipatikana kulingana na thamani hiyo. Thamani ya capacitor iliamuliwa kulingana na urahisi. Jedwali kwenye picha ya pili linaonyesha maadili ya 2R, R, 2C, na C ambayo yalitumika.

Picha ya tatu kwa hatua hii ni mzunguko wa mwisho wa kichujio cha notch na maadili sahihi. Kutumia mzunguko huo, uchambuzi wa AC sweep uliendeshwa kwa kutumia 5V. 5V inalingana na voltage baada ya kukuza. Vigezo vingine vya uchambuzi ni sawa na ile iliyosemwa katika hatua ya kipaza sauti. Mpangilio wa majibu ya masafa umeonyeshwa kwenye picha ya mwisho. Kutumia maadili na hesabu kwenye picha ya pili, masafa halisi ya kichungi cha notch ni 61.2 Hz. Thamani inayotakiwa ya kichujio cha notch ilikuwa 60 Hz. Kutumia asilimia ya equation ya makosa, kuna kosa la 2% kati ya kichungi kilichoiga na kichungi cha kinadharia. Hii ni kiasi kinachokubalika cha makosa.

Hatua ya 3: Hatua ya 3: Kichujio cha Pass Pass

Aina ya mwisho ya sehemu inayotumiwa katika mzunguko huu ni kichujio kisicho na maana. Kama ilivyotajwa hapo awali, kichujio kisicho na maana ni kichujio ambacho hakihitaji chanzo cha nguvu ili kiweze kufanya kazi. Kwa ECG, kupita kwa juu na kichujio cha kupitisha cha chini zinahitajika ili kuondoa kelele kutoka kwa ishara. Aina ya kwanza ya kichungi kisicho cha kuongezwa kwenye mzunguko ni kichujio cha pasi cha chini. Kama jina linavyopendekeza, hii kwanza inaruhusu ishara chini ya mzunguko wa cutoff kupita [7]. Kwa kichujio cha kupitisha cha chini, masafa yaliyokatwa yanapaswa kuwa kikomo cha juu cha anuwai ya ishara. Kama ilivyotajwa hapo awali, anuwai ya juu ya ishara ya ECG ni 150 Hz [2]. Kwa kuweka kikomo cha juu, kelele kutoka kwa ishara zingine haitumiki katika upatikanaji wa ishara.

Equation ya frequency iliyokatwa ni f = 1 / (2 * pi * R * C). Kama ilivyo na vifaa vya mzunguko uliopita, maadili ya R na C yanaweza kupatikana kwa kuziba masafa na kuweka moja ya maadili ya sehemu [7]. Kwa kichujio cha kupitisha cha chini, capacitor iliwekwa 1 µF na masafa ya kukata yaliyotakikana ni 150 Hz. Kutumia equation ya mzunguko iliyokatwa, thamani ya sehemu ya kupinga imehesabiwa kuwa 1 kΩ. Picha ya kwanza ya hatua hii ni kichungi kamili cha kupitisha chini.

Vigezo sawa vilivyofafanuliwa kwa kichujio cha notch hutumiwa kwa Uchambuzi wa AC Zoa ya kichujio cha kupitisha cha chini, kilichoonyeshwa kwenye picha ya pili. Kwa sehemu hii, masafa ya kukata taka ni 150Hz na kwa kutumia Mlinganyo 3, masafa ya kukatwa yaliyoigwa ni 159 Hz. Hii ina makosa ya asilimia 6%. Hitilafu ya asilimia ya sehemu hii ni kubwa kuliko inayopendelewa lakini vifaa vilichaguliwa kwa urahisi wa kutafsiri kwa mzunguko wa mwili. Kwa kweli hii ni kichujio cha kupitisha cha chini, kulingana na mpangilio wa majibu ya masafa kwenye picha ya pili, kwani ishara tu chini ya masafa ya cutoff ina uwezo wa kupita saa 5 V, na kadiri mzunguko unavyokaribia mzunguko uliokatwa, voltage hupungua.

Hatua ya 4: Hatua ya 4: Kichujio cha Pass Pass

Sehemu ya pili ya kupita kwa mzunguko wa ECG ni kichujio cha juu cha kupitisha. Kichujio cha kupitisha juu ni kichujio kinachoruhusu masafa yoyote makubwa kuliko masafa ya cutoff kupitia. Kwa sehemu hii, masafa ya cutoff yatakuwa 0.05 Hz. Kwa mara nyingine 0.05 Hz ni mwisho wa chini wa anuwai ya ishara za ECG [2]. Ingawa thamani ni ndogo sana, bado kuna haja ya kuwa na kichujio cha juu cha kupitisha ili kuchuja kiwango chochote cha voltage kwenye ishara. Kwa hivyo, kichujio cha kupitisha juu bado ni muhimu ndani ya muundo wa mzunguko, ingawa mzunguko wa cutoff ni mdogo sana.

Mlingano wa mzunguko wa cutoff ni sawa na kichujio cha chini kilichokatwa, f = 1 / (2 * pi * R * C). Thamani ya kupinga iliwekwa kwa 50 kΩ na mzunguko uliokatwa uliotaka ni 0.05 Hz [8]. Kutumia habari hiyo, thamani ya capacitor ilihesabiwa hadi 63 µF. Picha ya kwanza ya hatua hii ni kichujio cha juu cha kupitisha na maadili yanayofaa.

Uchambuzi wa Zoa la AC ni kichujio cha pili. Kama kichujio cha kupitisha cha chini, wakati mzunguko wa ishara unakaribia masafa yaliyokatwa, voltage ya pato inapungua. Kwa kichujio cha kupitisha juu, masafa yaliyokatwa yaliyotakikana ni 0.05 Hz na masafa ya kuiga ya kuiga ni 0.0505 Hz. Thamani hii imehesabiwa tumia pasi ya chini iliyokatwa equation ya masafa. Hitilafu ya asilimia ya sehemu hii ni 1%. Hili ni kosa la asilimia inayokubalika.

Hatua ya 5: Hatua ya 5: Mzunguko Kamili

Mzunguko wote umejengwa kwa kuunganisha vifaa vinne, kipaza sauti cha vifaa, kichujio cha notch, kichujio cha kupitisha cha chini, na kichujio cha kupita cha juu, mfululizo. Mchoro kamili wa mzunguko umeonyeshwa kwenye picha ya kwanza kwa hatua hii.

Jibu la kuigwa lililoonyeshwa kwenye takwimu ya pili hufanya kama inavyotarajiwa kutegemea aina ya vifaa vilivyotumika kwa mzunguko huu. Mzunguko ambao umebuniwa unachuja kelele katika mipaka ya chini na ya juu ya ishara ya ECG na vile vile inafanikiwa kuchuja kelele kutoka kwa laini za umeme. Kichujio cha kupitisha cha chini hufanikiwa kuondoa ishara chini ya masafa yaliyokatwa. Kama inavyoonyeshwa katika mpango wa majibu ya Frequency, kwa 0.01 Hz, ishara hiyo hupitishwa kwa 1 V, thamani ambayo ni mara 5 chini ya pato linalohitajika. Kadiri mzunguko unavyoongeza voltage ya pato pia huongezeka hadi kufikia kilele chake kwa 0.1 Hz. Kilele ni karibu 5 V, ambayo imewekwa sawa na faida ya 1000 kwa kipaza sauti cha vifaa. Ishara hupungua kutoka 5 V kuanzia saa 10 Hz. Wakati mzunguko ni 60 Hz, hakuna ishara inayotolewa na mzunguko. Hii ilikuwa kusudi la kichungi cha notch na ilimaanisha kukabiliana na usumbufu wa laini za umeme. Baada ya mzunguko kupita 60 Hz, voltage mara nyingine tena huanza kuongezeka na masafa. Mwishowe, mara tu mzunguko unapofika 110 Hz ishara hufikia kama kilele cha sekondari cha takriban 2 V. Kutoka hapo, pato hupungua kwa sababu ya kichujio cha pasi cha chini.

Hatua ya 6: Hitimisho

Kusudi la kazi hii ilikuwa kuiga ECG ya kiotomatiki inayoweza kurekodi kwa usahihi mzunguko wa moyo. Ili kufanya hivyo, ishara ya analog ambayo ingekuwa imechukuliwa kutoka kwa mgonjwa ilihitaji kuongezewa na kisha kuchujwa kujumuisha tu ishara ya ECG. Hii ilikamilishwa kwa kwanza kutumia kifaa cha kuongeza sauti ili kuongeza ukubwa wa ishara takribani mara 1000. Halafu kelele za laini za umeme zinahitajika kuondolewa kutoka kwa ishara na kelele kutoka juu na chini ya masafa ya mteule wa ECG. Hii ilimaanisha kujumuisha kichujio cha notch inayotumika pamoja na vichungi vya kupita vya juu na vya chini. Hata ingawa bidhaa ya mwisho ya zoezi hili ilikuwa mzunguko ulioiga, bado kulikuwa na hitilafu inayokubalika, ikizingatiwa maadili ya kawaida ya vifaa vya kupinga na vya kawaida vinavyopatikana kawaida. Zaidi ya mfumo wote uliofanywa kama inavyotarajiwa na ingeweza kubadilishwa kuwa mzunguko wa mwili kwa urahisi.

Hatua ya 7: Rasilimali

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Swali Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang, na S.-H. Tan, "Historia, maeneo yenye moto, na mwelekeo wa elektrokardiogramu," Jarida la magonjwa ya moyo ya watoto: JGC, Jul-2015. [Mtandaoni]. Inapatikana: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Imefikiwa: 01-Dec-2020].

[2] L. G. Tereshchenko na M. E. Josephson, "Maudhui ya masafa na sifa za upitishaji wa ventrikali," Jarida la elektroniolojia, 2015. [Mtandaoni]. Inapatikana: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Imefikiwa: 01-Dec-2020].

[3] "Amplifier Tofauti - Kondoa Voltage," Mafunzo ya Msingi ya Elektroniki, 17-Mar-2020. [Mtandaoni]. Inapatikana: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Imefikiwa: 01-Dec-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan, na P. Kinget, "Mfumo wa Upimaji wa ECG," Chuo Kikuu cha Columbia.

[5] S. Akwei-Sekyere, "Kuondoa kelele ya nguvu kwenye ishara za biomedical kupitia kutengana kwa chanzo kipofu na uchambuzi wa mawimbi," PeerJ, 02-Jul-2015. [Mtandaoni]. Inapatikana: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Imefikiwa: 01-Dec-2020].

[6] "Vichungi Vya Kuacha Bendi huitwa Kataa Vichungi," Mafunzo ya Msingi ya Elektroniki, 29-Jun-2020. [Mtandaoni]. Inapatikana: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Imefikiwa: 01-Dec-2020].

[7] "Kichujio cha Pass Pass - Mafunzo ya Kichujio cha Passive RC," Mafunzo ya Msingi ya Elektroniki, 01-Mei-2020. [Mtandaoni]. Inapatikana: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Imefikiwa: 01-Dec-2020].

[8] "Kichujio cha Pass Pass - Mafunzo ya Kichujio cha Passive RC," Mafunzo ya Msingi ya Elektroniki, 05-Mar-2019. [Mtandaoni]. Inapatikana: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Iliyopatikana: 01-Des-2020].