Nabavka, pojačavanje i filtriranje sklopa Osnovnog elektrokardiograma: 6 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:04

Da bi se dovršilo ovo uputstvo, potrebne su samo računalo, pristup internetu i neki softver za simulaciju. Za potrebe ovog dizajna, sva kola i simulacije će se izvoditi na LTspice XVII. Ovaj simulacijski softver sadrži biblioteke s preko 1.000 komponenti što čini stvaranje kola vrlo lakim. Budući da će ta kola biti generalizirana, “UniversalOpAmp2” će se koristiti za svaku instancu gdje je potrebno op-pojačalo. Osim toga, svako op -pojačalo napajalo se napajanjem +15V i -15V. Ovi izvori napajanja ne samo da napajaju op-pojačalo, već i prekidaju izlazni napon ako bi dosegao bilo koji od ta dva ekstrema.

Korak 1: Dizajn instrumentalnog pojačala

Nakon što je signal prikupljen, potrebno ga je pojačati za obavljanje proračuna i filtriranje po njemu. Za elektrokardiograme najčešća metoda pojačanja je instrumentacijsko pojačalo. Kao što je već spomenuto, instrumentacijsko pojačalo ima mnoge prednosti kada su u pitanju pojačavačka kola, a najveća je visoka impedancija između ulaznih napona. Za konstrukciju ovog kola korištena su 3 op-pojačala zajedno sa sedam otpornika, pri čemu je šest otpornika bilo ekvivalentno po veličini. Dobit većine elektrokardiograma je oko 1000x ulazni signal [1]. Jednačina za pojačanje instrumentacijskog pojačala je sljedeća: Gain = 1 + (2 * R1/R2) * (R7/R6). Radi jednostavnosti, za svaki otpornik se pretpostavljalo da je 1000 ohma, osim za R2, za koji je utvrđeno da je 2 ohma. Ove vrijednosti daju dobitak 1001 puta veći od ulaznog napona. Ovaj dobitak dovoljan je za pojačavanje stečenih signala za daljnju analizu. Međutim, koristeći jednadžbu, dobitak može biti što god želite za njihov dizajn kola.

Korak 2: Dizajn filtra za propusni opseg

Bandpass filter je visokopropusni filter i niskopropusni filter koji rade u koordinaciji obično s op-pojačalom kako bi osigurali ono što je poznato kao propusni opseg. Propusni opseg je niz frekvencija koje mogu proći, dok se sve ostale, iznad i ispod, odbijaju. Industrijski standardi navode da standardni elektrokardiogram mora imati propusni opseg od 0,5 Hz do 150 Hz [2]. Ovaj veliki propusni opseg osigurava snimanje svih električnih signala iz srca i ništa od toga ne filtrira. Slično, ovaj propusni opseg odbacuje svaki DC pomak koji bi mogao ometati signal. Da bi se to oblikovalo, moraju se odabrati posebni otpornici i kondenzatori tako da granična frekvencija visokih prolaza bude na 0,5 Hz, a niskopropusna granična frekvencija na 150 Hz. Jednačina granične frekvencije i za visokopropusni i za niskopropusni filter je sljedeća: Fc = 1/(2*pi*RC). Za moje proračune izabran je proizvoljan otpornik, a zatim je pomoću jednadžbe 4 izračunata vrijednost kondenzatora. Stoga će visokopropusni filter imati otpornik od 100 000 ohma i vrijednost kondenzatora od 3,1831 mikrofarada. Slično, niskopropusni filter imat će vrijednost otpornika 100 000 ohma i vrijednost kondenzatora od 10,61 nanofarada. Prikazan je dijagram propusnog filtra s prilagođenim vrijednostima.

Korak 3: Dizajn urezanog filtera

Urezani filter je u suštini suprotan od propusnog filtera. Umjesto visokog prolaza praćenog niskim prolazom, to je niski prolaz nakon kojeg slijedi visoki prolaz, pa se u osnovi može eliminirati jedan mali pojas buke. Za urezni filter na elektrokardiogramu korišten je Twin-T urezani filter. Ovaj dizajn omogućuje filtriranje središnje frekvencije i pruža veliki faktor kvalitete. U ovom slučaju, središnja frekvencija koje se trebate riješiti bila je 60 Hz. Koristeći jednadžbu 4, vrijednosti otpornika su izračunate korištenjem zadane vrijednosti kondenzatora od 0,1 mikrofarad. Izračunate vrijednosti otpornika za zaustavni pojas od 60 Hz bile su 26, 525 ohma. Zatim je izračunato da je R5 ½ od R3 i R4. C3 je također izračunat kao dvostruka vrijednost odabrana za C1 i C2 [3]. Za R1 i R2 odabrani su proizvoljni otpornici.

Korak 4: Kombinovano kolo

Pomoću mreža ove su komponente postavljene u nizove zajedno i prikazana je slika dovršenog kola. Prema članku koji je objavila Springer Science, prihvatljivo pojačanje EKG kruga trebalo bi biti oko 70 dB kada se postavi cijeli krug [4].

Korak 5: Testiranje cijelog kruga

Kada su sve komponente stavljene u niz, bila je potrebna validacija dizajna. Testirajući ovo kolo, provedeno je i prelazno i izmjenično naizmjenično ispitivanje kako bi se utvrdilo rade li sve komponente skladno. Da je to slučaj, prolazni izlazni napon bi i dalje bio oko 1000x ulazni napon. Slično, kada bi se provelo izmjenjivanje naizmjenične struje, moglo bi se očekivati grafičko polje frekvencijskog opsega propusnog opsega filtra sa zarezom na 60 Hz. Gledajući prikazane slike, ovo kolo je uspjelo postići oba cilja. Još jedan test je bio provjeriti efikasnost ureznog filtera. Da bi se to provjerilo, kroz krug je prošao signal od 60 Hz. Kao što je prikazano na slici, veličina ovog izlaza bila je samo oko 5x veća od ulaza, u poređenju sa 1000x kada je frekvencija unutar propusnog opsega.

Korak 6: Resursi:

[1] „Sustav mjerenja EKG -a“, Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (pristupljeno 1. decembra, 2020).

[2] L. G. Tereshchenko i M. E. Josephson, „Frequency Content and Characteristics of Ventricular Conduction“, Journal of electrocardiology, vol. 48, br. 6, str. 933–937, 2015, doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] „Filteri za zaustavljanje pojasa nazivaju se filteri za odbacivanje“, Osnovni vodiči za elektroniku, 22. maja 2018.

[4] N. Guler i U. Fidan, „Bežični prijenos EKG signala“, Springer Science, vol. 30, april 2005, doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.