ECG automatitzat: BME 305 Projecte final de crèdit extra: 7 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:10

Un electrocardiograma (ECG o EKG) s’utilitza per mesurar els senyals elèctrics produïts per un cor que batega i té un paper important en el diagnòstic i el pronòstic de les malalties cardiovasculars. Part de la informació obtinguda amb un ECG inclou el ritme dels batecs del cor del pacient, així com la força del batec. Cada forma d'ona ECG es genera per una iteració del cicle cardíac. Les dades es recopilen mitjançant un elèctrode col·locat a la pell del pacient. A continuació, s’amplifica el senyal i es filtra el soroll per analitzar adequadament les dades presents. Utilitzant les dades que es recopilen, els investigadors són capaços no només de diagnosticar malalties cardiovasculars, sinó que l’ECG també ha jugat un paper important en l’augment de la comprensió i el reconeixement de malalties més fosques. La implementació de l’ECG ha millorat molt el tractament de malalties com l’arítmia i la isquèmia [1].

Subministraments:

Aquest manual instructiu serveix per simular un dispositiu ECG virtual i, per tant, tot el que es necessita per dur a terme aquest experiment és un ordinador en funcionament. El programari utilitzat per a les simulacions següents és LTspice XVII i es pot descarregar des d'Internet.

Pas 1: Pas 1: Amplificador d'instrumentació

El primer component del circuit és un amplificador d’instrumentació. Com el seu nom indica, l'amplificador d'instrumentació s'utilitza per augmentar la magnitud del senyal. Un senyal d’ECG que no s’amplifica ni es filtra té una amplitud d’aproximadament 5 mV. Per filtrar el senyal, cal amplificar-lo. Un guany raonable per a aquest circuit hauria de ser gran perquè el senyal bioelèctric es filtrés adequadament. Per tant, el guany d’aquest circuit serà d’uns 1000. La forma general d’un amplificador d’instrumentació s’inclou a les imatges d’aquest pas [2]. A més, les equacions del guany del circuit, els valors que es van calcular per a cada component, es mostren a la segona imatge [3].

El guany és negatiu perquè la tensió es subministra al pin d'inversió de l'amplificador operacional. Els valors que es mostren a la segona imatge es van trobar configurant els valors de R1, R2, R3 i guanyant els valors desitjats i resolent el valor final R4. La tercera imatge d’aquest pas és el circuit simulat a LTspice, amb valors precisos.

Per provar el circuit, tant en el seu conjunt com en components individuals, s’hauria de fer una anàlisi de corrent altern (CA). Aquesta forma d’anàlisi analitza la magnitud del senyal a mesura que canvien les freqüències. Per tant, el tipus d’anàlisi de l’anàlisi de corrent altern hauria de ser d’una dècada perquè estableix l’escala de l’eix X i és més propici per llegir amb precisió els resultats. Per dècades, hi hauria d’haver 100 punts de dades. Això permetrà transmetre amb precisió les tendències de les dades sense treballar excessivament el programa, garantint l’eficiència. Els valors de freqüència d’inici i d’aturada han d’incloure les dues freqüències de tall. Per tant, una freqüència d’inici raonable és de 0,01 Hz i una freqüència d’aturada raonable d’1 kHz. Per a l'amplificador d'instrumentació, la funció d'entrada és una ona sinusoïdal amb una magnitud de 5 mV. 5 mV es correspon amb l'amplitud estàndard d'un senyal ECG [4]. Una ona sinusoïdal imita els aspectes canviants d’un senyal d’ECG. Tots aquests paràmetres d’anàlisi, excepte el voltatge d’entrada, són els mateixos per a cada component.

La imatge final és el gràfic de resposta de freqüència per a l'amplificador d'instrumentació. Això demostra que l’amplificador d’instrumentació és capaç d’augmentar la magnitud del senyal d’entrada en uns 1000. El guany desitjat per a l’amplificador d’instrumentació era de 1000. El guany de l’amplificador d’instrumentació simulat és de 999,6, que es troba mitjançant l’equació que es mostra a la segona foto. El percentatge d'error entre el guany desitjat i el guany experimental és del 0,04%. Es tracta d’un percentatge d’error acceptable.

Pas 2: pas 2: filtre de tacs

El següent component utilitzat al circuit ECG és un filtre actiu. Un filtre actiu és només un filtre que requereix energia per funcionar. Per a aquesta assignació, el millor filtre actiu que s’ha d’utilitzar és un filtre de graella. S'utilitza un filtre de tacs per eliminar el senyal a una sola freqüència o a un rang de freqüències molt estret. En el cas d’aquest circuit, la freqüència que s’ha d’eliminar amb un filtre de tacs és de 60 Hz. 60 Hz és la freqüència en què funcionen les línies elèctriques i, per tant, és una gran font de soroll amb els dispositius. El soroll de la línia elèctrica distorsiona els senyals biomèdics i redueix la qualitat de les dades [5]. La forma general del filtre de graella utilitzat per a aquest circuit es mostra a la primera foto d’aquest pas. El component actiu del filtre de tacs és el buffer que s’adjunta. La memòria intermèdia s’utilitza per aïllar el senyal després del filtre de tacs. Atès que la memòria intermèdia forma part del filtre i necessita energia per funcionar, el filtre de graella és el component del filtre actiu d’aquest circuit.

A la segona foto es mostra l'equació dels components resistius i del condensador del filtre de graella. A l'equació, fN és la freqüència que cal eliminar, que és de 60 Hz. Igual que l'amplificador d'instrumentació, el valor de la resistència o del condensador es pot establir a qualsevol valor i l'altre valor calculat per l'equació que es mostra a la segona foto. Per a aquest filtre, a C se li va assignar un valor d'1 µF i la resta de valors es van trobar en funció d'aquest valor. El valor del condensador es va decidir en funció de la comoditat. La taula de la segona foto mostra els valors de 2R, R, 2C i C que s’han utilitzat.

La tercera imatge per a aquest pas és el circuit de filtre de malla final amb valors precisos. Utilitzant aquest circuit, l’anàlisi AC Sweep es va fer amb 5V. 5V es correspon amb la tensió després de l'amplificació. La resta de paràmetres d'anàlisi són els mateixos que el que es va afirmar al pas de l'amplificador d'instrumentació. El gràfic de resposta en freqüència es mostra a la foto final. Utilitzant els valors i les equacions de la segona foto, la freqüència real del filtre de tacs és de 61,2 Hz. El valor desitjat per al filtre de ranura era de 60 Hz. Mitjançant l'equació d'error percentual, hi ha un error del 2% entre el filtre simulat i el filtre teòric. Es tracta d’un error acceptable.

Pas 3: pas 3: filtre de pas baix

L’últim tipus de peça que s’utilitza en aquest circuit és el filtre passiu. Com s’ha esmentat anteriorment, un filtre passiu és un filtre que no necessita una font d’energia per poder ser operatiu. Per a un ECG, es necessiten tant un filtre de pas alt com un filtre de pas baix per eliminar correctament el soroll del senyal. El primer tipus de filtre passiu que s’afegeix al circuit és un filtre de pas baix. Com el seu nom indica, això permet primer que passi el senyal per sota de la freqüència de tall [7]. Per al filtre de pas baix, la freqüència de tall ha de ser el límit superior del rang de senyal. Com es va esmentar anteriorment, el rang superior del senyal ECG és de 150 Hz [2]. En establir un límit superior, el soroll d'altres senyals no s'utilitza en l'adquisició de senyals.

L'equació de la freqüència de tall és f = 1 / (2 * pi * R * C). Igual que amb els components anteriors del circuit, els valors de R i C es poden trobar connectant la freqüència i establint un dels valors dels components [7]. Per al filtre de pas baix, el condensador es va establir a 1 µF i la freqüència de tall desitjada és de 150 Hz. Utilitzant l’equació de freqüència de tall, el valor del component de la resistència es calcula en 1 kΩ. La primera imatge d’aquest pas és un esquema complet del filtre de pas baix.

Els mateixos paràmetres definits per al filtre de graella s’utilitzen per a l’anàlisi AC Sweep del filtre de pas baix, que es mostra a la segona imatge. Per a aquest component, la freqüència de tall desitjada és de 150 Hz i, mitjançant l’equació 3, la freqüència de tall simulada és de 159 Hz. Això té un percentatge d'error del 6%. El percentatge d'error d'aquest component és superior al preferit, però els components s'han escollit per facilitar la traducció a un circuit físic. Es tracta clarament d’un filtre de pas baix, basat en el gràfic de resposta de freqüència de la segona imatge, ja que només el senyal per sota de la freqüència de tall pot passar a 5 V i, a mesura que la freqüència s’acosta a la freqüència de tall, la tensió disminueix.

Pas 4: pas 4: filtre de pas alt

El segon component passiu del circuit ECG és el filtre de pas alt. Un filtre de pas alt és un filtre que permet passar qualsevol freqüència superior a la freqüència de tall. Per a aquest component, la freqüència de tall serà de 0,05 Hz. Una vegada més 0,05 Hz és l'extrem inferior del rang de senyals ECG [2]. Tot i que el valor és tan petit, encara cal que hi hagi un filtre de pas alt per filtrar qualsevol compensació de tensió del senyal. Per tant, el filtre de pas alt encara és necessari dins del disseny del circuit, tot i que la freqüència de tall és tan petita.

L'equació de la freqüència de tall és la mateixa que el filtre de tall de pas baix, f = 1 / (2 * pi * R * C). El valor de la resistència es va establir a 50 kΩ i la freqüència de tall desitjada és de 0,05 Hz [8]. Utilitzant aquesta informació, el valor del condensador es va calcular a 63 µF. La primera imatge d’aquest pas és el filtre de pas alt amb els valors adequats.

L’anàlisi de la barreja de corrent altern és el segon filtre. Igual que el filtre de pas baix, a mesura que la freqüència del senyal s’acosta a la freqüència de tall, la tensió de sortida disminueix. Per al filtre de pas alt, la freqüència de tall desitjada és de 0,05 Hz i la freqüència de tall simulada és de 0,0505 Hz. Aquest valor es va calcular mitjançant l'equació de freqüència de tall de pas baix. El percentatge d'error d'aquest component és de l'1%. Es tracta d’un percentatge d’error acceptable.

Pas 5: Pas 5: Circuit complet

El circuit sencer es construeix connectant en sèrie els quatre components, l’amplificador d’instrumentació, el filtre de graella, el filtre de pas baix i el filtre de pas alt. El diagrama complet del circuit es mostra a la primera imatge d’aquest pas.

La resposta simulada que es mostra a la segona figura actua tal com s’esperava basar-se en els tipus de components utilitzats per a aquest circuit. El circuit dissenyat filtra el soroll als límits inferior i superior del senyal d’ECG, a més de filtrar amb èxit el soroll de les línies elèctriques. El filtre de pas baix elimina correctament el senyal per sota de la freqüència de tall. Com es mostra a la gràfica de resposta de freqüència, a 0,01 Hz, el senyal es transmet a 1 V, un valor que és 5 vegades menor que la sortida desitjada. A mesura que augmenta la freqüència, la tensió de sortida també augmenta fins arribar als seus màxims a 0,1 Hz. El pic està al voltant dels 5 V, que s’alinea amb un guany de 1000 per a l’amplificador d’instrumentació. El senyal disminueix de 5 V a partir de 10 Hz. Quan la freqüència és de 60 Hz, el circuit no emet cap senyal. Aquest era el propòsit del filtre d’escot i el seu objectiu era contrarestar la interferència de les línies elèctriques. Quan la freqüència supera els 60 Hz, el voltatge torna a començar a augmentar amb la freqüència. Finalment, una vegada que la freqüència arriba a 110 Hz, el senyal arriba a un pic secundari d'aproximadament 2 V. A partir d'aquí, la sortida disminueix a causa del filtre de pas baix.

Pas 6: Conclusió

L’objectiu d’aquesta tasca era simular un ECG automatitzat capaç de registrar amb precisió el cicle cardíac. Per fer-ho, cal amplificar el senyal analògic que s’hauria pres d’un pacient i després filtrar-lo per incloure només el senyal ECG. Això es va aconseguir utilitzant primer un amplificador d'instrumentació per augmentar la magnitud del senyal aproximadament 1.000 vegades. Aleshores, el soroll de les línies elèctriques havia de ser eliminat del senyal, així com el soroll per sobre i per sota del rang de freqüència designat d’un ECG. Això significava incorporar un filtre de tall actiu, així com filtres passius de pas alt i baix. Tot i que el producte final per a aquesta tasca va ser un circuit simulat, encara hi va haver algun error acceptable, tenint en compte els valors estàndard dels components resistius i capacitius normalment disponibles. Al llarg de tot el sistema es va realitzar com s'esperava i es podria transitar a un circuit físic amb força facilitat.

Pas 7: Recursos

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang i S.-H. Tan, "The history, hotspots, and trends of electrocardiogram", Journal of geriatric cardiology: JGC, Jul-2015. [En línia]. Disponible: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Consulta: 01-desembre-2020].

[2] L. G. Tereshchenko i M. E. Josephson, "Contingut de freqüència i característiques de la conducció ventricular", Journal of electrocardiology, 2015. [En línia]. Disponible: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Consulta: 01-desembre-2020].

[3] "Amplificador diferencial: el substractor de tensió", Tutorials bàsics d'electrònica, 17 de març de 2020. [En línia]. Disponible: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Consulta: 01-desembre-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan i P. Kinget, "ECG Measurement System", Universitat de Columbia.

[5] S. Akwei-Sekyere, “Eliminació del soroll de la línia elèctrica en senyals biomèdics mitjançant la separació de fonts cegues i l’anàlisi d’onetes”, PeerJ, 2-juliol-2015. [En línia]. Disponible: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Consulta: 01-desembre-2020].

[6] "Els filtres de parada de banda s'anomenen filtres de rebuig", Tutorials bàsics d'electrònica, 29 de juny de 2020. [En línia]. Disponible: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Consulta: 01-desembre-2020].

[7] "Filtre de pas baix - Tutorial de filtre RC passiu", Tutorials bàsics d'electrònica, 1 de maig de 2020. [En línia]. Disponible: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Consulta: 01-desembre-2020].

[8] "Filtre de pas alt - Tutorial de filtre RC passiu", Tutorials bàsics d'electrònica, 5 de març de 2019. [En línia]. Disponible: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Consulta: 01-desembre-2020].