eng_d.k_bme
01-04-2008, 05:54 PM
نظام اقتباس اشارة القلب
Electrocardiogram
Measurement System
1. مقدمة لنظام اقتباس اشارة القلب (ECG )
يبين الشكل -1- مخطط لنظام اقتباس اشارة القلب يتكون هذا النظام من اربعة مراحل ، و هي كالتالي :
أ – المرحلة الأولى هي المبدلة ، و هي ذات أقطاب من كلوريد الفضة - Ag Cl - و تقوم بتحويل اشارة القلب الى جهد كهربائي ، ضمن المجال 1 mV – 5 mV .
ب – المرحلة الثانية و هي مرحلة التضخيم و فيها يتم تضخيم الإشارة المقتبسة و في هذه المرحلة نستخدم المضخم ( AD 624 ) و الذي يتميز بعامل رفض مشترك عالي جدا CMRR 90 dB و كسب عالي يقترب من (1000) و تغذية عمل +9V و -9V .
ج – و المرحلة الثالثة يتم فيها عزل الإشارة عن طريق العنصر الضوئي (NEC PS2506) و تستخدم لعزل الدخل القادم من المضخم عن الخرج .
د – المرحلة الرابعة هي عبارة عن مرشح تمرير نطاقي ذو مجال بين 0.04 Hz -- 150 Hz ، والذي يتكون من جمع مرشحي تمرير احدهما مرشح تمرير منخفض و الأخر مرتفع .
الشكل 1
2. إشارة القلب الكهربائية
يوضح الشكل 2 البنية الأساسية للقلب ، و عند اقتباس الإشارة من مناطق مختلفة من القلب سوف نحصل على اختلاف في الكمون الحيوي بين هذه المناطق ، و هذا سيؤدي إلى تشكل عدة اشارت ECG ، و يلخص الجدول 1 الأحداث الحاصلة في دورة قلبية واحدة و المكونة لإشارة القلب الكهربائية ECG .
الشكل 2
البنية الأساسية للقلب
RA : الأذين الأيمن
RV: البطين الأيمن
LA:الأذين الأيسر
LA:الأذين الأيسر
المدة الزمنية
التفاصيل
الحدث
0.4 ثانية
تفتح الصمامات بين البطينات و الأذينات
تفتح الصمامات الهلالية
تمتليء البطينات
الإنبساط الأذيني
الإنبساط البطيني
0.1 ثانية
تفتح الصمامات بين البطينات و الأذينات.
تغلق الصمامات الهلالية
. تمتليء البطينات
الإنقباض اللأذيني
الإنبساط البطيني
0.3 ثانية
تغلق الصمامات بين البطينات و الأذينات.
تفتح الصمامات الهلالية.
يضخ الدم إلى الشريان الأورطى و الشريان الرئوي
الإنبساط الأذيني
الإنقباض البطيني
الجدول 2
يتم اقتباس اشارة القلب و تحويلها إلى كمون كهربائي بواسطة أقطاب يتم لصقها على جلد المريض ، و الأقطاب المستخدمة هنا هي من النوع الصالح للاستخدام لمرة واحدة فقط .
على سبيل المثال فإن سطح القطب النموذجي لاقتباس إشارة القلب يتكون من الفضة و كلوريد الفضة ، و التركيب التفصيلي للأقطاب موضح بالشكل 3 .
الشكل 3
يوضح الشكل 4 الدورة القلبية بالتفصيل ، حيث يوضح في الجزء العلوي أحداث الدورة من انقباضات و انبساطات ، و يمثل الجزء الأوسط الأصوات المقابلة لكل مرحلة و التي يتم التقاطها عن جلد المريض و في الجزء الأسفل نرى مخططاً للعلاقة بين الضغط بين الشريان الأورطى و البطين الأيسر .
يتم اقتباس إشارة القلب بالصاق قطب اقتباس على الجزء الأيسر من صدر المريض و قطب أخر على الجزء الأيمن ، كما هو موضح بالشكل 4 ، و لكي تكتمل الدارة يجب ان يتم وصل المريض الى الأرض و نقوم بذلك عن طريق وصل رجل المريض إلى الأرض .
الشكل 5
نظام اقتباس اشارة مبسّط
3 - دارة نظام اقتباس إشارة القلب
يوضح الشكل 6 دارة نظام اقتباس اشارة القلب :
3.1 المضخّم
تم استخدام المضخم التمثيلي AD 624 لتضخيم اشارة القلب المقتبسة من المبدلات والتي تكون ضمن حدود الميلي فولت ، تم معايرة المضخم على ربح بمقدار 1000 ، و تزويده بتغذية +9 V و -9V ، يوضح الجدول 2 بعض أهم ميزات المضخم AD 624 .
Supply Voltage
+-9V Battery power
Programmable Gain
1, 100, 200, 500, 1000, 2500
CMRR
130dB (Gain=500 to 1000)
Gain Bandwidth Product
25 MHz
Input offset
25 μV, max
ان أحد اهم العوامل في اختيار المضخمات هو CMRR أو عامل الرفض المشترك ، حيث أن الإشارة المتناوبة الصغيرة جدا ( ذات مطال أقل من 5 mV ) التي يتم اقتباسها بواسطة المبدلات سوف تتراكب معها اشارة مشتركة متناوبة كبيرة جدا ناتجة عن النمط التشاركي ( تصل إلى 1.5 V ) و سوف يتراكب معها ايضاً اشارة مستمرة متغيرة كبيرة تصل الى ( 300 mV ) ، ويتم التخلص من هذه الإشارات المشتركة عند الدخل باختيار عامل CMRR كبير ، و توصي منظمة تطوير الأجهزة الطبية AAMI بعامل CMRR مساوي ل 89 dB على الأقل لأجهزة اقتباس اشارة القلب النظامية و 60 dB لأجهزة اقتباس الإشارة المتنقلة ، ويبين الشكل 7 العلاقة بين عامل CMRR و التردد للمضخم AD 624 عند عامل كسب ثابت مساوي ل 1000 .
وتبين المعادلة التالية كيفية حساب عامل CMRR :
CMRR = differential gain / common mode gain = Adm / Acm
الشكل 7
وتم وصل مضخم عمليات تمثيلي ST 741 الى العقدة السادسة للمضخم AD 624 و ذلك لتعديل الخرج المستمر الناتج الى 3 V ، وهي أفضل قيمة تم الحصول عليها تجريبياً لتستخدم في الدارة .
3.2 عنصر الربط الضوئي
بعد مرحلة التضخيم بواسطة المضخم التمثيليAD 624 قمنا باستخدتم عنصر الربط الضوئي NEC PS2506 وذلك لعزل المضخم عن باقي اجزاء الدارة .
3.3 مرشح التمرير النطاقي
بشكل عام ، فإن الإشارة التي هي محور دراستنا تقع ضمن المجال 0.67 Hz – 40 Hz وذلك لإشارة القلب النظامية و التي قد تصل إلى 300 Hz – 1 KHz في حالة فحص العقدة ناظمة الخطى ، تم هنا الإعتماد على الإقتراح في كتابJohn Webster باستخدام مرشح تمرير نطاقي ضمن المجال0.04 Hz – 150 Hz وتم تشكيل هذا المرشح بوصل مرشحين احدهما مرشح تمرير عالي و الأخر مرشح تمرير منخفض و تم تحديد الخصائص الرئيسية لهذين المرشحين باستخدام مقاومات و سعات مختلفة ، و يبين الجدول 3 تفاصيل هذين المرشحين ، و يبين الشكل 8 تابع النقل المستنتج قياساً لهذا المرشح .
R
C
Time Constant t
3dB Frequency
Low-Pass Filter
4 MW
1 mF
4.0 sec
0.04 Hz
High-Pass Filter
10 KW
0.1 mF
0.001 sec
159 Hz
الجدول 3
تفاصيل المرشحات
الشكل8
تابع النقل المقاس للمرشح
د – الإشارة المقاسة تجريبياً
يوضح الشكل 9 دارة نظام اقتباس اشارة القلب ، و تم هنا استخدام جهاز راسم اشارة مهبطي Agilent 54624 لإظهار اشارة ECG .
ويوضح الشكل 10 ثلاثة اشارات تم اقتباسها على الترتيب :
1 – من المضخم
2 - من عنصر الربط الضوئي
3 - من المرشح
و الإشارة المقتبسة في الشكل 9 هي إحدى اشارات القلب النظامية .
الشكل 9
دارة نظام الإقتباس العملية
الشكل 10
يوضح ثلاثة اشارات مقتبسة من اماكن مختلفة داخل الدارة
المراجع
[1] Webster, John G., Medical Instrumentation: Application and Design. 3rd Ed. Philadelphia: W.B. Saunders Company, 1998.
[2] AD624 dada sheet, Analog Device
[3] ST 741 Op Amp Data Sheet, ST Microelectronics.
[4] NEC PS2506 data sheet
[5]Shawn Charson ,"Home is where the ECG is" ,Amatenur Scientist
[6]Sima's ECG project page
[7]Let's build an ECG amplifier
[8]Source of Biopotentials and Biopotential Amplifier
Electrocardiogram
Measurement System
1. مقدمة لنظام اقتباس اشارة القلب (ECG )
يبين الشكل -1- مخطط لنظام اقتباس اشارة القلب يتكون هذا النظام من اربعة مراحل ، و هي كالتالي :
أ – المرحلة الأولى هي المبدلة ، و هي ذات أقطاب من كلوريد الفضة - Ag Cl - و تقوم بتحويل اشارة القلب الى جهد كهربائي ، ضمن المجال 1 mV – 5 mV .
ب – المرحلة الثانية و هي مرحلة التضخيم و فيها يتم تضخيم الإشارة المقتبسة و في هذه المرحلة نستخدم المضخم ( AD 624 ) و الذي يتميز بعامل رفض مشترك عالي جدا CMRR 90 dB و كسب عالي يقترب من (1000) و تغذية عمل +9V و -9V .
ج – و المرحلة الثالثة يتم فيها عزل الإشارة عن طريق العنصر الضوئي (NEC PS2506) و تستخدم لعزل الدخل القادم من المضخم عن الخرج .
د – المرحلة الرابعة هي عبارة عن مرشح تمرير نطاقي ذو مجال بين 0.04 Hz -- 150 Hz ، والذي يتكون من جمع مرشحي تمرير احدهما مرشح تمرير منخفض و الأخر مرتفع .
الشكل 1
2. إشارة القلب الكهربائية
يوضح الشكل 2 البنية الأساسية للقلب ، و عند اقتباس الإشارة من مناطق مختلفة من القلب سوف نحصل على اختلاف في الكمون الحيوي بين هذه المناطق ، و هذا سيؤدي إلى تشكل عدة اشارت ECG ، و يلخص الجدول 1 الأحداث الحاصلة في دورة قلبية واحدة و المكونة لإشارة القلب الكهربائية ECG .
الشكل 2
البنية الأساسية للقلب
RA : الأذين الأيمن
RV: البطين الأيمن
LA:الأذين الأيسر
LA:الأذين الأيسر
المدة الزمنية
التفاصيل
الحدث
0.4 ثانية
تفتح الصمامات بين البطينات و الأذينات
تفتح الصمامات الهلالية
تمتليء البطينات
الإنبساط الأذيني
الإنبساط البطيني
0.1 ثانية
تفتح الصمامات بين البطينات و الأذينات.
تغلق الصمامات الهلالية
. تمتليء البطينات
الإنقباض اللأذيني
الإنبساط البطيني
0.3 ثانية
تغلق الصمامات بين البطينات و الأذينات.
تفتح الصمامات الهلالية.
يضخ الدم إلى الشريان الأورطى و الشريان الرئوي
الإنبساط الأذيني
الإنقباض البطيني
الجدول 2
يتم اقتباس اشارة القلب و تحويلها إلى كمون كهربائي بواسطة أقطاب يتم لصقها على جلد المريض ، و الأقطاب المستخدمة هنا هي من النوع الصالح للاستخدام لمرة واحدة فقط .
على سبيل المثال فإن سطح القطب النموذجي لاقتباس إشارة القلب يتكون من الفضة و كلوريد الفضة ، و التركيب التفصيلي للأقطاب موضح بالشكل 3 .
الشكل 3
يوضح الشكل 4 الدورة القلبية بالتفصيل ، حيث يوضح في الجزء العلوي أحداث الدورة من انقباضات و انبساطات ، و يمثل الجزء الأوسط الأصوات المقابلة لكل مرحلة و التي يتم التقاطها عن جلد المريض و في الجزء الأسفل نرى مخططاً للعلاقة بين الضغط بين الشريان الأورطى و البطين الأيسر .
يتم اقتباس إشارة القلب بالصاق قطب اقتباس على الجزء الأيسر من صدر المريض و قطب أخر على الجزء الأيمن ، كما هو موضح بالشكل 4 ، و لكي تكتمل الدارة يجب ان يتم وصل المريض الى الأرض و نقوم بذلك عن طريق وصل رجل المريض إلى الأرض .
الشكل 5
نظام اقتباس اشارة مبسّط
3 - دارة نظام اقتباس إشارة القلب
يوضح الشكل 6 دارة نظام اقتباس اشارة القلب :
3.1 المضخّم
تم استخدام المضخم التمثيلي AD 624 لتضخيم اشارة القلب المقتبسة من المبدلات والتي تكون ضمن حدود الميلي فولت ، تم معايرة المضخم على ربح بمقدار 1000 ، و تزويده بتغذية +9 V و -9V ، يوضح الجدول 2 بعض أهم ميزات المضخم AD 624 .
Supply Voltage
+-9V Battery power
Programmable Gain
1, 100, 200, 500, 1000, 2500
CMRR
130dB (Gain=500 to 1000)
Gain Bandwidth Product
25 MHz
Input offset
25 μV, max
ان أحد اهم العوامل في اختيار المضخمات هو CMRR أو عامل الرفض المشترك ، حيث أن الإشارة المتناوبة الصغيرة جدا ( ذات مطال أقل من 5 mV ) التي يتم اقتباسها بواسطة المبدلات سوف تتراكب معها اشارة مشتركة متناوبة كبيرة جدا ناتجة عن النمط التشاركي ( تصل إلى 1.5 V ) و سوف يتراكب معها ايضاً اشارة مستمرة متغيرة كبيرة تصل الى ( 300 mV ) ، ويتم التخلص من هذه الإشارات المشتركة عند الدخل باختيار عامل CMRR كبير ، و توصي منظمة تطوير الأجهزة الطبية AAMI بعامل CMRR مساوي ل 89 dB على الأقل لأجهزة اقتباس اشارة القلب النظامية و 60 dB لأجهزة اقتباس الإشارة المتنقلة ، ويبين الشكل 7 العلاقة بين عامل CMRR و التردد للمضخم AD 624 عند عامل كسب ثابت مساوي ل 1000 .
وتبين المعادلة التالية كيفية حساب عامل CMRR :
CMRR = differential gain / common mode gain = Adm / Acm
الشكل 7
وتم وصل مضخم عمليات تمثيلي ST 741 الى العقدة السادسة للمضخم AD 624 و ذلك لتعديل الخرج المستمر الناتج الى 3 V ، وهي أفضل قيمة تم الحصول عليها تجريبياً لتستخدم في الدارة .
3.2 عنصر الربط الضوئي
بعد مرحلة التضخيم بواسطة المضخم التمثيليAD 624 قمنا باستخدتم عنصر الربط الضوئي NEC PS2506 وذلك لعزل المضخم عن باقي اجزاء الدارة .
3.3 مرشح التمرير النطاقي
بشكل عام ، فإن الإشارة التي هي محور دراستنا تقع ضمن المجال 0.67 Hz – 40 Hz وذلك لإشارة القلب النظامية و التي قد تصل إلى 300 Hz – 1 KHz في حالة فحص العقدة ناظمة الخطى ، تم هنا الإعتماد على الإقتراح في كتابJohn Webster باستخدام مرشح تمرير نطاقي ضمن المجال0.04 Hz – 150 Hz وتم تشكيل هذا المرشح بوصل مرشحين احدهما مرشح تمرير عالي و الأخر مرشح تمرير منخفض و تم تحديد الخصائص الرئيسية لهذين المرشحين باستخدام مقاومات و سعات مختلفة ، و يبين الجدول 3 تفاصيل هذين المرشحين ، و يبين الشكل 8 تابع النقل المستنتج قياساً لهذا المرشح .
R
C
Time Constant t
3dB Frequency
Low-Pass Filter
4 MW
1 mF
4.0 sec
0.04 Hz
High-Pass Filter
10 KW
0.1 mF
0.001 sec
159 Hz
الجدول 3
تفاصيل المرشحات
الشكل8
تابع النقل المقاس للمرشح
د – الإشارة المقاسة تجريبياً
يوضح الشكل 9 دارة نظام اقتباس اشارة القلب ، و تم هنا استخدام جهاز راسم اشارة مهبطي Agilent 54624 لإظهار اشارة ECG .
ويوضح الشكل 10 ثلاثة اشارات تم اقتباسها على الترتيب :
1 – من المضخم
2 - من عنصر الربط الضوئي
3 - من المرشح
و الإشارة المقتبسة في الشكل 9 هي إحدى اشارات القلب النظامية .
الشكل 9
دارة نظام الإقتباس العملية
الشكل 10
يوضح ثلاثة اشارات مقتبسة من اماكن مختلفة داخل الدارة
المراجع
[1] Webster, John G., Medical Instrumentation: Application and Design. 3rd Ed. Philadelphia: W.B. Saunders Company, 1998.
[2] AD624 dada sheet, Analog Device
[3] ST 741 Op Amp Data Sheet, ST Microelectronics.
[4] NEC PS2506 data sheet
[5]Shawn Charson ,"Home is where the ECG is" ,Amatenur Scientist
[6]Sima's ECG project page
[7]Let's build an ECG amplifier
[8]Source of Biopotentials and Biopotential Amplifier