Otomatik ECG- BME 305 Final Projesi Ekstra Kredi: 7 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:16

Atan bir kalbin ürettiği elektrik sinyallerini ölçmek için bir elektrokardiyogram (EKG veya EKG) kullanılır ve kardiyovasküler hastalıkların tanı ve prognozunda büyük rol oynar. Bir EKG'den elde edilen bilgilerin bir kısmı, hastanın kalp atışlarının ritmini ve ayrıca atışın gücünü içerir. Her bir EKG dalga biçimi, kalp döngüsünün bir yinelemesi ile oluşturulur. Veriler, hastanın cildine yerleştirilen elektrot aracılığıyla toplanır. Daha sonra sinyal yükseltilir ve mevcut verileri doğru bir şekilde analiz etmek için gürültü filtrelenir. Toplanan verileri kullanan araştırmacılar, yalnızca kardiyovasküler hastalıkları teşhis etmekle kalmaz, aynı zamanda EKG, daha belirsiz hastalıkların anlaşılmasını ve tanınmasını artırmada da büyük bir rol oynamıştır. EKG'nin uygulanması, aritmi ve iskemi gibi durumların tedavisini büyük ölçüde iyileştirmiştir [1].

Gereçler:

Bu Eğitilebilir Tablo sanal bir EKG cihazının simülasyonu içindir ve bu nedenle bu deneyi yürütmek için gereken tek şey çalışan bir bilgisayardır. Aşağıdaki simülasyonlarda kullanılan yazılım LTspice XVII'dir ve internetten indirilebilir.

Adım 1: Adım 1: Enstrümantasyon Amplifikatörü

Devrenin ilk bileşeni bir enstrümantasyon yükselticisidir. Adından da anlaşılacağı gibi, enstrümantasyon amplifikatörü, sinyalin büyüklüğünü arttırmak için kullanılır. Amplifiye edilmemiş veya filtrelenmemiş bir EKG sinyali, genlik olarak kabaca 5 mV'dir. Sinyali filtrelemek için amplifiye edilmesi gerekir. Biyoelektrik sinyalin uygun şekilde filtrelenmesi için bu devre için makul bir kazancın büyük olması gerekir. Bu nedenle, bu devrenin kazancı yaklaşık 1000 olacaktır. Bir enstrümantasyon amplifikatörünün genel formu, bu adım için görüntülere dahil edilmiştir [2]. Ek olarak devrenin kazancı için denklemler, her bir bileşen için hesaplanan değerler ikinci resimde gösterilmiştir [3].

İşlemsel yükselticinin ters çevirme pimine voltaj sağlandığı için kazanç negatiftir. İkinci resimde gösterilen değerler, R1, R2, R3 ve gain değerleri istenilen değerlere ayarlanarak ve daha sonra R4 nihai değeri için çözülerek bulundu. Bu adım için üçüncü görüntü, LTspice'de doğru değerlerle tamamlanmış simüle edilmiş devredir.

Devreyi hem bir bütün olarak hem de ayrı bileşenler olarak test etmek için alternatif akım (AC) analizi yapılmalıdır. Bu analiz biçimi, frekanslar değiştikçe sinyalin büyüklüğüne bakar. Bu nedenle, AC analiz taramasının analiz türü, x ekseni ölçeklemesini belirlediği ve sonuçların doğru bir şekilde okunması için daha elverişli olduğu için on yıl olmalıdır. Her on yılda 100 veri noktası olmalıdır. Bu, programı fazla çalıştırmadan verilerdeki eğilimleri doğru bir şekilde ileterek verimliliği sağlar. Başlatma ve durdurma frekansı değerleri, her iki kesme frekansını da kapsamalıdır. Bu nedenle, makul bir başlangıç frekansı 0,01 Hz ve makul bir durdurma frekansı 1 kHz'dir. Enstrümantasyon amplifikatörü için giriş işlevi, 5 mV büyüklüğünde bir sinüs dalgasıdır. 5 mV, bir EKG sinyalinin standart genliğine karşılık gelir [4]. Sinüs dalgası, bir EKG sinyalinin değişen yönlerini taklit eder. Giriş voltajı dışında tüm bu analiz ayarları her bileşen için aynıdır.

Son görüntü, enstrümantasyon amplifikatörü için frekans yanıtı grafiğidir. Bu, enstrümantasyon amplifikatörünün giriş sinyalinin büyüklüğünü yaklaşık 1000 artırabildiğini gösterir. Enstrümantasyon amplifikatörü için istenen kazanç 1000 idi. Simüle edilmiş enstrümantasyon amplifikatörünün kazancı, ikinci fotoğrafta gösterilen denklem kullanılarak bulunan 999.6'dır. İstenen kazanç ile deneysel kazanç arasındaki hata yüzdesi %0.04'tür. Bu kabul edilebilir bir yüzdelik hata miktarıdır.

Adım 2: Adım 2: Çentik Filtresi

EKG devresinde kullanılan bir sonraki bileşen aktif bir filtredir. Aktif bir filtre, sadece çalışması için güç gerektiren bir filtredir. Bu atama için kullanılacak en iyi aktif filtre, bir çentik filtresidir. Tek bir frekanstaki veya çok dar bir frekans aralığındaki sinyali çıkarmak için bir çentik filtresi kullanılır. Bu devre durumunda çentik filtre ile çıkarılacak frekans 60 Hz'dir. 60 Hz, elektrik hatlarının çalıştığı frekanstır ve bu nedenle cihazlarda büyük bir gürültü kaynağıdır. Elektrik hattı gürültüsü biyomedikal sinyalleri bozar ve veri kalitesini düşürür [5]. Bu devre için kullanılan çentik filtresinin genel şekli bu adım için ilk fotoğrafta gösterilmiştir. Çentik filtresinin aktif bileşeni, eklenen tampondur. Tampon, notch filtresinden sonra sinyali izole etmek için kullanılır. Tampon filtrenin bir parçası olduğundan ve çalışması için güce ihtiyaç duyduğundan, notch filtresi bu devrenin aktif filtre bileşenidir.

Çentik filtresinin direnç ve kapasitör bileşenlerinin denklemi ikinci fotoğrafta gösterilmiştir [6]. Denklemde fN, 60 Hz olan çıkarılacak frekanstır. Enstrümantasyon amplifikatöründe olduğu gibi, direnç veya kapasitör değeri herhangi bir değere ayarlanabilir ve diğer değer ikinci fotoğrafta gösterilen denklemle hesaplanabilir. Bu filtre için C'ye 1 µF değeri atanmış ve geri kalan değerler bu değere göre bulunmuştur. Kondansatörün değerine uygunluğa göre karar verildi. İkinci fotoğraftaki tablo kullanılan 2R, R, 2C ve C değerlerini göstermektedir.

Bu adım için üçüncü görüntü, doğru değerlere sahip son çentik filtre devresidir. Bu devre kullanılarak, 5V kullanılarak AC Süpürme analizi yapılmıştır. 5V, amplifikasyondan sonraki voltaja karşılık gelir. Analiz parametrelerinin geri kalanı, enstrümantasyon amplifikatör adımında belirtilenlerle aynıdır. Frekans yanıtı grafiği son fotoğrafta gösterilmektedir. İkinci fotoğraftaki değerleri ve denklemleri kullanarak, notch filtresinin gerçek frekansı 61,2 Hz'dir. Çentik filtresi için istenen değer 60 Hz idi. Yüzde hata denklemini kullanarak, simüle edilen filtre ile teorik filtre arasında %2'lik bir hata vardır. Bu kabul edilebilir bir hata miktarıdır.

Adım 3: Adım 3: Düşük Geçiş Filtresi

Bu devrede kullanılan son parça türü pasif filtredir. Daha önce de belirtildiği gibi, pasif filtre, çalışması için bir güç kaynağı gerektirmeyen bir filtredir. Bir EKG için, sinyaldeki gürültüyü düzgün bir şekilde gidermek için hem yüksek geçişli hem de düşük geçişli filtre gereklidir. Devreye eklenecek ilk pasif filtre tipi alçak geçiren filtredir. Adından da anlaşılacağı gibi, bu ilk önce kesim frekansının altındaki sinyalin geçmesine izin verir [7]. Alçak geçiren filtre için kesme frekansı, sinyal aralığının üst sınırı olmalıdır. Daha önce bahsedildiği gibi, EKG sinyalinin üst aralığı 150 Hz'dir [2]. Bir üst sınır belirlenerek, sinyal alımında diğer sinyallerden gelen gürültü kullanılmaz.

Kesme frekansının denklemi f = 1 / (2 * pi * R * C) şeklindedir. Önceki devre bileşenlerinde olduğu gibi, frekansı takarak ve bileşen değerlerinden birini ayarlayarak R ve C değerleri bulunabilir [7]. Alçak geçiren filtre için kapasitör 1 µF olarak ayarlanmıştır ve istenen kesme frekansı 150 Hz'dir. Kesim frekansı denklemi kullanılarak direnç bileşeninin değeri 1 kΩ olarak hesaplanır. Bu adım için ilk görüntü, eksiksiz bir alçak geçiren filtre şemasıdır.

Notch filtresi için tanımlanan aynı parametreler, ikinci resimde gösterilen düşük geçiş filtresinin AC Süpürme Analizi için kullanılır. Bu bileşen için istenen kesme frekansı 150 Hz'dir ve Denklem 3 kullanılarak simüle edilen kesme frekansı 159 Hz'dir. Bu, %6'lık bir yüzde hatasına sahiptir. Bu bileşen için hata yüzdesi tercih edilenden daha yüksektir ancak bileşenler, fiziksel bir devreye çevirme kolaylığı için seçilmiştir. Bu, ikinci görüntüdeki frekans yanıt grafiğine dayalı olarak açıkça bir alçak geçiren filtredir, çünkü yalnızca kesme frekansının altındaki sinyal 5 V'ta geçebilir ve frekans kesme frekansına yaklaştıkça voltaj düşer.

Adım 4: Adım 4: Yüksek Geçiş Filtresi

EKG devresi için ikinci pasif bileşen yüksek geçiren filtredir. Yüksek geçiş filtresi, kesme frekansından daha büyük herhangi bir frekansın geçmesine izin veren bir filtredir. Bu bileşen için kesme frekansı 0,05 Hz olacaktır. Bir kez daha 0,05 Hz, EKG sinyalleri aralığının alt sınırıdır [2]. Değer çok küçük olmasına rağmen, sinyaldeki herhangi bir voltaj kaymasını filtrelemek için yine de yüksek geçiş filtresine ihtiyaç vardır. Bu nedenle, kesme frekansı çok küçük olmasına rağmen, devre tasarımında yüksek geçiş filtresi hala gereklidir.

Kesme frekansının denklemi, düşük geçiş kesme filtresiyle aynıdır, f = 1 / (2 * pi * R * C). Direnç değeri 50 kΩ olarak ayarlanmıştır ve istenen kesme frekansı 0,05 Hz'dir [8]. Bu bilgiyi kullanarak kapasitör değeri 63 µF olarak hesaplandı. Bu adım için ilk görüntü, uygun değerlere sahip yüksek geçiren filtredir.

AC Süpürme Analizi ikinci filtredir. Alçak geçiren filtre gibi, sinyalin frekansı kesme frekansına yaklaştıkça çıkış voltajı düşer. Yüksek geçiş filtresi için istenen kesme frekansı 0,05 Hz ve simüle edilen kesme frekansı 0,0505 Hz'dir. Bu değer, düşük geçiş kesme frekansı denklemi kullanılarak hesaplanmıştır. Bu bileşen için yüzde hatası %1'dir. Bu kabul edilebilir bir yüzde hatasıdır.

Adım 5: Adım 5: Tam Devre

Devrenin tamamı, enstrümantasyon amplifikatörü, çentik filtresi, düşük geçiş filtresi ve yüksek geçiş filtresi olmak üzere dört bileşenin seri olarak bağlanmasıyla oluşturulmuştur. Bu adım için ilk resimde tam devre şeması gösterilmektedir.

İkinci şekilde gösterilen benzetilmiş yanıt, bu devre için kullanılan bileşen türlerine dayanması beklendiği gibi davranır. Tasarlanan devre, EKG sinyalinin hem alt hem de üst limitlerindeki gürültüyü filtrelemenin yanı sıra enerji hatlarından gelen gürültüyü başarılı bir şekilde filtrelemektedir. Alçak geçiren filtre, kesme frekansının altındaki sinyali başarıyla kaldırır. Frekans yanıtı grafiğinde gösterildiği gibi, 0,01 Hz'de sinyal, istenen çıkıştan 5 kat daha düşük bir değer olan 1 V'ta geçirilir. Frekans arttıkça çıkış voltajı da 0,1 Hz'de tepe noktalarına ulaşana kadar artar. Zirve, enstrümantasyon amplifikatörü için 1000 kazanç ile hizalanan 5 V civarındadır. Sinyal, 10 Hz'den başlayarak 5 V'tan düşer. Frekans 60 Hz olduğunda, devre tarafından çıkış sinyali verilmez. Çentik filtresinin amacı buydu ve güç hatlarının girişimini önlemesi gerekiyordu. Frekans 60 Hz'yi geçtikten sonra voltaj tekrar frekansla artmaya başlar. Son olarak, frekans 110 Hz'ye ulaştığında, sinyal kabaca 2 V'luk ikincil tepe noktasına ulaşır. Buradan, düşük geçiş filtresi nedeniyle çıkış azalır.

6. Adım: Sonuç

Bu görevin amacı, kalp döngüsünü doğru bir şekilde kaydedebilen otomatik bir EKG'yi simüle etmekti. Bunu yapmak için, bir hastadan alınacak olan analog sinyalin amplifiye edilmesi ve ardından sadece EKG sinyalini içerecek şekilde filtrelenmesi gerekiyordu. Bu, ilk önce sinyalin büyüklüğünü yaklaşık 1000 kat artırmak için bir enstrümantasyon amplifikatörü kullanılarak gerçekleştirildi. Daha sonra, bir EKG'nin belirlenmiş frekans aralığının üstünden ve altından gelen gürültünün yanı sıra sinyalden elektrik hatlarının gürültüsünün çıkarılması gerekiyordu. Bu, aktif bir çentik filtresinin yanı sıra pasif yüksek ve düşük geçişli filtrelerin dahil edilmesi anlamına geliyordu. Bu atamanın nihai ürünü simüle edilmiş bir devre olsa da, normalde mevcut olan dirençli ve kapasitif bileşenler için standart değerler dikkate alındığında hala kabul edilebilir bazı hatalar vardı. Tüm sistem beklendiği gibi gerçekleştirildi ve oldukça kolay bir şekilde fiziksel bir devreye geçebilecekti.

7. Adım: Kaynaklar

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang ve S.-H. Tan, “Elektrokardiyogramın tarihi, sıcak noktaları ve eğilimleri”, Geriatrik kardiyoloji Dergisi: JGC, Temmuz-2015. [İnternet üzerinden]. Mevcut: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Erişim: 01-Aralık-2020].

[2] L. G. Tereshchenko ve M. E. Josephson, “Frekans içeriği ve ventriküler iletimin özellikleri”, Journal of Electrocardiology, 2015. [Çevrimiçi]. Mevcut: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Erişim: 01-Aralık-2020].

[3] “Diferansiyel Amplifikatör - Gerilim Çıkarıcı”, Temel Elektronik Eğitimleri, 17-Mart-2020. [İnternet üzerinden]. Mevcut: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Erişim: 01-Dec-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan ve P. Kinget, “EKG Ölçüm Sistemi”, Columbia Üniversitesi.

[5] S. Akwei-Sekyere, “Biyomedikal sinyallerde kör kaynak ayırma ve dalgacık analizi yoluyla elektrik hattı gürültüsünün giderilmesi”, PeerJ, 02-Jul-2015. [İnternet üzerinden]. Mevcut: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Erişim: 01-Aralık-2020].

[6] “Bant Durdurma Filtrelerine Reddetme Filtreleri denir”, Temel Elektronik Eğitimleri, 29-Haziran-2020. [İnternet üzerinden]. Mevcut: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Erişim: 01-Dec-2020].

[7] “Düşük Geçişli Filtre - Pasif RC Filtre Eğitimi”, Temel Elektronik Eğitimleri, 01-Mayıs-2020. [İnternet üzerinden]. Mevcut: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Erişim: 01-Dec-2020].

[8] “Yüksek Geçişli Filtre - Pasif RC Filtre Eğitimi”, Temel Elektronik Eğitimleri, 05-Mart-2019. [İnternet üzerinden]. Mevcut: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Erişim tarihi: 01-Aralık-2020].