رسم القلب الآلي- BME 305 المشروع النهائي رصيد إضافي: 7 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:36

يستخدم مخطط كهربية القلب (ECG أو EKG) لقياس الإشارات الكهربائية التي ينتجها القلب النابض ويلعب دورًا كبيرًا في تشخيص أمراض القلب والأوعية الدموية والتنبؤ بها. تتضمن بعض المعلومات المكتسبة من مخطط كهربية القلب إيقاع دقات قلب المريض بالإضافة إلى قوة النبض. يتم إنشاء كل شكل موجي لتخطيط القلب عن طريق تكرار دورة القلب. يتم جمع البيانات من خلال قطب كهربائي يوضع على جلد المريض. ثم يتم تضخيم الإشارة وتصفية الضوضاء من أجل تحليل البيانات الموجودة بشكل صحيح. باستخدام البيانات التي تم جمعها ، لا يتمكن الباحثون من تشخيص أمراض القلب والأوعية الدموية فحسب ، بل لعب تخطيط القلب أيضًا دورًا كبيرًا في زيادة فهم الأمراض الأكثر غموضًا والتعرف عليها. أدى تنفيذ مخطط كهربية القلب إلى تحسن كبير في علاج حالات مثل عدم انتظام ضربات القلب ونقص التروية [1].

اللوازم:

هذا Instructable لمحاكاة جهاز ECG افتراضي ، وبالتالي فإن كل ما هو مطلوب لإجراء هذه التجربة هو جهاز كمبيوتر يعمل. البرنامج المستخدم في عمليات المحاكاة التالية هو LTspice XVII ويمكن تنزيله من الإنترنت.

الخطوة 1: الخطوة 1: مضخم الأجهزة

المكون الأول للدائرة هو مكبر للصوت. كما يوحي الاسم ، يستخدم مضخم الأجهزة لزيادة حجم الإشارة. تبلغ إشارة ECG التي لم يتم تضخيمها أو تصفيتها حوالي 5 مللي فولت في السعة. من أجل تصفية الإشارة ، يجب تضخيمها. يجب أن يكون الربح المعقول لهذه الدائرة كبيرًا حتى يتم ترشيح الإشارة الكهربية الحيوية بشكل مناسب. لذلك ، فإن كسب هذه الدائرة سيكون حوالي 1000. الشكل العام لمكبر الأجهزة مدرج في الصور لهذه الخطوة [2]. بالإضافة إلى معادلات كسب الدائرة ، تظهر القيم التي تم حسابها لكل مكون في الصورة الثانية [3].

يكون الكسب سالبًا لأن الجهد يتم توفيره للدبوس المقلوب لمكبر التشغيل. تم العثور على القيم الموضحة في الصورة الثانية عن طريق تعيين قيم R1 و R2 و R3 والكسب كقيم مرغوبة ثم حل القيمة النهائية R4. الصورة الثالثة لهذه الخطوة هي الدائرة المحاكاة في LTspice ، كاملة بقيم دقيقة.

من أجل اختبار الدائرة ، ككل وكمكونات فردية ، يجب تشغيل تحليل التيار المتردد (AC). ينظر هذا الشكل من التحليل إلى حجم الإشارة مع تغير الترددات. لذلك ، يجب أن يكون نوع التحليل الخاص بمسح تحليل التيار المتردد عقدًا لأنه يحدد مقياس المحور السيني ويكون أكثر ملاءمة لقراءة النتائج بدقة. لكل عقد ، يجب أن يكون هناك 100 نقطة بيانات. سيؤدي ذلك إلى نقل الاتجاهات في البيانات بدقة دون إرهاق البرنامج ، مما يضمن الكفاءة. يجب أن تشمل قيم تردد البداية والتوقف كلا من الترددات المقطوعة. لذلك ، فإن تردد البدء المعقول هو 0.01 هرتز وتردد التوقف المعقول هو 1 كيلو هرتز. بالنسبة لمضخم الأجهزة ، تكون وظيفة الإدخال عبارة عن موجة جيبية بحجم 5 مللي فولت. 5 mV يتوافق مع السعة القياسية لإشارة ECG [4]. تحاكي الموجة الجيبية الجوانب المتغيرة لإشارة تخطيط القلب. كل إعدادات التحليل هذه ، باستثناء جهد الدخل ، هي نفسها لكل مكون.

الصورة النهائية هي مخطط استجابة التردد لمضخم الأجهزة. يوضح هذا أن مضخم الأجهزة قادر على زيادة حجم إشارة الإدخال بحوالي 1000. كان الكسب المطلوب لمكبر الأجهزة 1000. كسب مكبر الصوت المحاكى هو 999.6 ، تم العثور عليه باستخدام المعادلة الموضحة في الصورة الثانية. النسبة المئوية للخطأ بين الكسب المطلوب والكسب التجريبي هو 0.04٪. هذا هو مقدار مقبول من الخطأ في المئة.

الخطوة 2: الخطوة 2: تصفية الشق

المكون التالي المستخدم في دائرة تخطيط القلب هو مرشح نشط. المرشح النشط هو مجرد مرشح يتطلب طاقة ليعمل. بالنسبة لهذه المهمة ، فإن أفضل مرشح نشط يمكن استخدامه هو مرشح الدرجة. يتم استخدام مرشح القطع لإزالة الإشارة عند تردد واحد أو نطاق ضيق جدًا من الترددات. في حالة هذه الدائرة ، يكون التردد المراد إزالته بواسطة مرشح شق هو 60 هرتز. 60 هرتز هو التردد الذي تعمل به خطوط الطاقة ، وبالتالي فهو مصدر كبير للضوضاء مع الأجهزة. تشوه ضوضاء Powerline الإشارات الطبية الحيوية وتقلل من جودة البيانات [5]. يظهر الشكل العام لمرشح الشق المستخدم لهذه الدائرة في الصورة الأولى لهذه الخطوة. المكون النشط لمرشح الشق هو المخزن المؤقت المرفق. يتم استخدام المخزن المؤقت لعزل الإشارة بعد مرشح الشق. نظرًا لأن المخزن المؤقت هو جزء من المرشح ويحتاج إلى طاقة للعمل ، فإن مرشح القطع هو مكون المرشح النشط لهذه الدائرة.

تظهر معادلة مكونات المقاومة والمكثف لمرشح الشق في الصورة الثانية [6]. في المعادلة ، fN هو التردد المطلوب إزالته ، وهو 60 هرتز. كما هو الحال مع مضخم الأجهزة ، يمكن ضبط قيمة المقاوم أو المكثف على أي قيمة والقيمة الأخرى المحسوبة بواسطة المعادلة الموضحة في الصورة الثانية. بالنسبة لهذا المرشح ، تم تخصيص C بقيمة 1 µF وتم العثور على باقي القيم بناءً على تلك القيمة. تم تحديد قيمة المكثف بناءً على الراحة. يعرض الجدول الموجود في الصورة الثانية قيم 2R و R و 2 C و C التي تم استخدامها.

الصورة الثالثة لهذه الخطوة هي دائرة مرشح الدرجة النهائية بقيم دقيقة. باستخدام هذه الدائرة ، تم تشغيل تحليل AC Sweep باستخدام 5V. 5V يتوافق مع الجهد بعد التضخيم. باقي معلمات التحليل هي نفسها التي تم ذكرها في خطوة مكبر الأجهزة. يظهر مخطط استجابة التردد في الصورة النهائية. باستخدام القيم والمعادلات في الصورة الثانية ، فإن التردد الفعلي لمرشح الشق هو 61.2 هرتز. كانت القيمة المطلوبة لمرشح الشق 60 هرتز. باستخدام معادلة النسبة المئوية للخطأ ، يوجد خطأ بنسبة 2٪ بين المرشح المحاكى والمرشح النظري. هذا قدر مقبول من الخطأ.

الخطوة 3: الخطوة 3: مرشح الترددات المنخفضة

النوع الأخير من الأجزاء المستخدمة في هذه الدائرة هو المرشح السلبي. كما ذكرنا سابقًا ، فإن المرشح السلبي عبارة عن مرشح لا يتطلب مصدر طاقة حتى يتم تشغيله. بالنسبة لتخطيط القلب ، يلزم وجود كلٍ من مرشح تمرير عالي ومنخفض لتمرير الضوضاء من الإشارة بشكل صحيح. النوع الأول من المرشح السلبي الذي يتم إضافته إلى الدائرة هو مرشح تمرير منخفض. كما يوحي الاسم ، يسمح هذا أولاً بتمرير إشارة أقل من تردد القطع [7]. بالنسبة لمرشح التمرير المنخفض ، يجب أن يكون تردد القطع هو الحد الأعلى لنطاق الإشارة. كما ذكرنا سابقًا ، النطاق العلوي لإشارة مخطط كهربية القلب هو 150 هرتز [2]. من خلال تحديد حد أعلى ، لا يتم استخدام الضوضاء الصادرة عن الإشارات الأخرى في الحصول على الإشارة.

معادلة التردد المقطوع هي f = 1 / (2 * pi * R * C). كما هو الحال مع مكونات الدائرة السابقة ، يمكن إيجاد قيم R و C عن طريق توصيل التردد وتحديد إحدى قيم المكونات [7]. بالنسبة لمرشح التمرير المنخفض ، تم ضبط المكثف على 1 µF وتردد القطع المطلوب هو 150 هرتز. باستخدام معادلة التردد المقطوع ، تُحسب قيمة مكون المقاوم لتكون 1 كيلو أوم. الصورة الأولى لهذه الخطوة تخطيطية كاملة لمرشح تمرير الترددات المنخفضة.

يتم استخدام نفس المعلمات المحددة لمرشح الشق لتحليل AC Sweep لمرشح تمرير منخفض ، كما هو موضح في الصورة الثانية. بالنسبة لهذا المكون ، يكون تردد القطع المطلوب هو 150 هرتز وباستخدام المعادلة 3 ، يكون تردد القطع المحاكي 159 هرتز. هذا لديه نسبة خطأ 6٪. النسبة المئوية للخطأ لهذا المكون أعلى من المفضلة ولكن تم اختيار المكونات لسهولة الترجمة إلى دائرة فيزيائية. من الواضح أن هذا مرشح تمرير منخفض ، استنادًا إلى مخطط استجابة التردد في الصورة الثانية ، حيث إن الإشارة الموجودة أسفل تردد القطع هي فقط القادرة على المرور عند 5 فولت ، ومع اقتراب التردد من التردد المقطوع ، ينخفض الجهد.

الخطوة 4: الخطوة 4: مرشح الترددات العالية

المكون السلبي الثاني لدائرة تخطيط القلب هو مرشح التمرير العالي. مرشح التمرير العالي هو مرشح يسمح بمرور أي تردد أكبر من تردد القطع. بالنسبة لهذا المكون ، سيكون تردد القطع 0.05 هرتز. مرة أخرى 0.05 هرتز هو الحد الأدنى من نطاق إشارات تخطيط القلب [2]. على الرغم من أن القيمة صغيرة جدًا ، لا تزال هناك حاجة إلى وجود مرشح تمرير عالي لتصفية أي إزاحة للجهد في الإشارة. لذلك ، لا يزال مرشح التمرير العالي ضروريًا داخل تصميم الدائرة ، على الرغم من أن تردد القطع صغير جدًا.

معادلة تردد القطع هي نفسها مثل مرشح قطع التمرير المنخفض ، f = 1 / (2 * pi * R * C). تم ضبط قيمة المقاوم على 50 kΩ وتردد القطع المطلوب هو 0.05 هرتز [8]. باستخدام هذه المعلومات ، تم حساب قيمة المكثف عند 63 درجة فهرنهايت. الصورة الأولى لهذه الخطوة هي مرشح التمرير العالي مع القيم المناسبة.

تحليل AC المسح هو المرشح الثاني. مثل مرشح التمرير المنخفض ، مع اقتراب تردد الإشارة من التردد المقطوع ، ينخفض جهد الخرج. بالنسبة لمرشح التمرير العالي ، فإن تردد القطع المطلوب هو 0.05 هرتز وتردد القطع المحاكاة هو 0.0505 هرتز. تم حساب هذه القيمة باستخدام معادلة التردد المنخفض. نسبة الخطأ لهذا المكون هي 1٪. هذه نسبة خطأ مقبولة.

الخطوة 5: الخطوة 5: الدائرة الكاملة

يتم إنشاء الدائرة بأكملها عن طريق توصيل المكونات الأربعة ، ومضخم الأجهزة ، ومرشح الشق ، ومرشح التمرير المنخفض ، ومرشح التمرير العالي ، على التوالي. يظهر مخطط الدائرة الكاملة في الصورة الأولى لهذه الخطوة.

تعمل الاستجابة المحاكاة الموضحة في الشكل الثاني حيث كان من المتوقع أن تستند إلى أنواع المكونات المستخدمة في هذه الدائرة. تعمل الدائرة المصممة على تصفية الضوضاء في كل من الحدين الأدنى والعليا لإشارة مخطط كهربية القلب وكذلك ترشيح الضوضاء من خطوط الطاقة بنجاح. يزيل مرشح التمرير المنخفض الإشارة الموجودة أسفل تردد القطع بنجاح. كما هو موضح في مخطط استجابة التردد ، عند 0.01 هرتز ، يتم تمرير الإشارة عند 1 فولت ، وهي قيمة أقل بخمس مرات من الناتج المطلوب. كلما زاد التردد ، يزداد جهد الخرج أيضًا حتى يصل إلى ذروته عند 0.1 هرتز. تبلغ الذروة حوالي 5 فولت ، والتي تتماشى مع كسب 1000 لمكبر الأجهزة. تنخفض الإشارة من 5 فولت بدءًا من 10 هرتز. بحلول الوقت الذي يكون فيه التردد 60 هرتز ، لا توجد إشارة تخرج من الدائرة. كان هذا هو الغرض من مرشح القطع وكان المقصود منه مواجهة تداخل خطوط الطاقة. بعد أن يتجاوز التردد 60 هرتز ، يبدأ الجهد مرة أخرى في الزيادة مع التردد. أخيرًا ، بمجرد أن يصل التردد إلى 110 هرتز ، تصل الإشارة إلى ذروة ثانوية تبلغ 2 فولت تقريبًا من هناك ، ينخفض الناتج بسبب مرشح التمرير المنخفض.

الخطوة السادسة: الخاتمة

كان الغرض من هذه المهمة هو محاكاة تخطيط القلب الآلي القادر على تسجيل الدورة القلبية بدقة. من أجل القيام بذلك ، يجب تضخيم الإشارة التناظرية التي كان من الممكن أخذها من المريض ثم تصفيتها لتشمل إشارة مخطط كهربية القلب فقط. تم تحقيق ذلك من خلال استخدام مكبر للأجهزة أولاً لزيادة حجم الإشارة حوالي 1000 مرة. ثم يلزم إزالة ضوضاء خطوط الطاقة من الإشارة وكذلك الضوضاء من أعلى وأسفل نطاق التردد المحدد لمخطط كهربية القلب. هذا يعني دمج مرشح درجة نشط بالإضافة إلى مرشحات تمرير عالية ومنخفضة سلبية. على الرغم من أن المنتج النهائي لهذه المهمة كان عبارة عن دائرة محاكاة ، إلا أنه لا يزال هناك بعض الأخطاء المقبولة ، مع الأخذ في الاعتبار القيم القياسية للمكونات المقاومة والسعة المتاحة عادة. على مدار كل النظام ، كان أداء النظام كما هو متوقع ويمكن أن ينتقل إلى دائرة فيزيائية بسهولة إلى حد ما.

الخطوة 7: الموارد

[1] X.-L. يانغ ، ج. ليو ، Y.-H. تونغ ، هـ. يان ، ز. شو ، كيو تشين ، إكس ليو ، هـ- هـ. تشانغ ، H.-B. وانغ ، و S.-H. تان ، "التاريخ ، النقاط الساخنة ، واتجاهات مخطط كهربية القلب ،" مجلة أمراض قلب الشيخوخة: JGC ، يوليو 2015. [متصل]. متاح: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [تم الدخول: 01-ديسمبر -2020].

[2] L. G Tereshchenko and M. E. Josephson ، "محتوى التردد وخصائص التوصيل البطيني" ، مجلة علم القلب الكهربائي ، 2015. [أونلاين]. متاح: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [تم الدخول: 01-ديسمبر -2020].

[3] "المضخم التفاضلي - طاحن الجهد" ، دروس الإلكترونيات الأساسية ، 17-مارس -2020. [متصل]. متاح: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [تم الوصول إليه: 01-ديسمبر -2020].

[4] C.-H. تشين ، S.-G. Pan، and P. Kinget، “ECG Measurement System،” جامعة كولومبيا.

[5] S. Akwei-Sekyere ، "إزالة ضوضاء Powerline في الإشارات الطبية الحيوية عبر فصل المصدر الأعمى وتحليل المويجات ،" PeerJ ، 02 يوليو 2015. [متصل]. متاح: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [تم الوصول إليه: 01-ديسمبر -2020].

[6] "فلاتر إيقاف النطاق تسمى مرشحات الرفض ،" دروس الإلكترونيات الأساسية ، 29-يونيو -2020. [متصل]. متاح: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [تم الوصول إليه: 01-ديسمبر -2020].

[7] "مرشح الترددات المنخفضة - برنامج تعليمي لمرشح RC السلبي" ، دروس إلكترونيات أساسية ، 01 مايو 2020. [متصل]. متاح: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [تم الوصول إليه: 01-ديسمبر -2020].

[8] "High Pass Filter - Passive RC Filter Tutorial،" Basic Electronics Tutorials، 05-Mar-2019. [متصل]. متاح: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [تم الوصول إليه: 01-ديسمبر -2020].