Automatizirani EKG: Pojačavanje i simulacije filtera pomoću LTspice: 5 koraka

2025 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2025-01-13 06:57

Ovo je slika posljednjeg uređaja koji ćete izgraditi i vrlo detaljna rasprava o svakom dijelu. Također opisuje proračune za svaku fazu.

Slika prikazuje blok dijagram ovog uređaja

Metode i materijali:

Cilj ovog projekta bio je razviti uređaj za akviziciju signala kako bi se okarakterizirao određeni biološki signal/prikupili relevantni podaci o signalu. Preciznije, automatizirani EKG. Blok dijagram prikazan na slici 3 ističe predloženu shemu za uređaj. Uređaj bi primao biološki signal putem elektrode, a zatim ga pojačavao pojačalom s pojačanjem od 1000. Ovo pojačanje je potrebno jer će biološki signal biti manji na oko 5 mV, što je vrlo malo i teško ga je interpretirati [5]. Nakon toga bi se šum smanjio korištenjem pojasni filtar kako bi se dobio željeni frekvencijski raspon signala, 0,5-150 Hz, a zatim bi uslijedio zarez kako bi se uklonila normalna okolna buka uzrokovana dalekovodima koji se nalaze na 50-60 Hz [11]. Na kraju, signal tada treba pretvoriti u digitalni tako da se može tumačiti pomoću računara, a to se radi pomoću analogno -digitalnog pretvarača. U ovoj studiji, međutim, fokus će prvenstveno biti na pojačalu, propusnom filtru i zareznom filtru.

Pojačalo, propusni filter i filter sa zarezima dizajnirani su i simulirani pomoću LTSpice. Svaki je odjeljak prvo razvijen zasebno i testiran kako bi se provjerilo da li rade ispravno, a zatim je spojen u jednu konačnu shemu. Pojačalo, koje se može vidjeti na slici 4, dizajnirano je i zasnovano na instrumentalnom pojačalu. Instrumentacijsko pojačalo obično se koristi u EKG-u, monitorima temperature, pa čak i detektorima potresa jer može pojačati vrlo nizak nivo signala, odbijajući višak šuma. Također je vrlo lako modificirati kako bi se prilagodilo za bilo koji dobitak koji je potreban [6]. Željeni dobitak za krug je 1000 i to je odabrano budući da će ulaz s elektrode biti izmjenični signal manji od 5 mV [5] i potrebno ga je pojačati kako bi se podaci lakše interpretirali. Da bi se dobio dobitak od 1000, korištena je jednadžba (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3) koja je stoga dala GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω) /101.01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. Kako bi se potvrdilo da je postignuta ispravna veličina pojačanja, provedeno je prolazno ispitivanje pomoću LTspice.

Druga faza je bio pojasni filter. Ovaj filter se može vidjeti na slici 5 i sastoji se od niskopropusnog, a zatim visokopropusnog filtera s operativnim pojačalom između kako bi se spriječilo međusobno poništavanje filtera. Svrha ove faze je proizvesti postavljeni raspon frekvencija koje će biti prihvatljive za prolaz kroz uređaj. Željeni raspon za ovaj uređaj je 0,5 - 150 Hz jer je to standardni raspon za EKG [6]. Da bi se postigao ovaj ciljani raspon, korištena je jednadžba (2) granična frekvencija = 1/(2πRC) kako bi se odredila granična frekvencija i za visokopropusni i za niskopropusni filter unutar propusnog opsega. Budući da je donji kraj raspona trebao biti 0,5 Hz, vrijednosti otpornika visokopropusnog filtra i kondenzatora izračunate su na 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83 μF), a s gornjim krajem na 150 Hz, niski Vrijednosti otpornika i kondenzatora prolaznog filtera izračunate su na 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1.061µF). Kako bi se potvrdilo da je postignut ispravan raspon frekvencija, pomoću LTspice je provedeno izmjenjivanje naizmjenične struje.

Treća i posljednja simulirana faza je urezani filter i može se vidjeti na slici 6. Filter sa urezima služi kao sredstvo za uklanjanje neželjene buke koja se javlja usred željenog frekvencijskog područja koje stvara propusni opseg. Ciljna frekvencija u ovom slučaju je 60 Hz jer je to standardna frekvencija dalekovoda u Sjedinjenim Državama i uzrokuje smetnje ako se s njima ne riješi [7]. Urezani filter odabran za podnošenje ovih smetnji bio je dvostruki filter sa dva ureza sa dva op -pojačala i razdjelnikom napona. Ovo će omogućiti da signal ne samo da filtrira signal direktno na ciljnoj frekvenciji, već će također unijeti promjenjivu povratnu spregu u sistem, podesivi faktor kvalitete Q i promjenjivi izlaz zahvaljujući razdjelniku napona, pa je stoga postao aktivni filter umjesto pasivno [8]. Ovi dodatni faktori su međutim uglavnom ostali netaknuti u početnim testovima, ali bit će dotaknuti u budućim radovima i kako kasnije poboljšati projekt. Kako bi se odredilo središte frekvencije odbijanja, jednadžba (3) središnja frekvencija odbijanja = 1/(2π)*√ (1/(C2*C3*R5*(R3+R4))) = 1/(2π)* √ (1/[(0,1*10^-6µF)*(0,1*10^-6µF) (15000Ω)*(26525Ω +26525Ω)]) = 56,420 Hz je upotrijebljeno. Kako bi se potvrdilo da je postignuta ispravna frekvencija odbijanja, provedeno je čišćenje AC pomoću LTspice.

Konačno, nakon što je svaka faza testirana zasebno, tri faze su kombinirane, kao što je prikazano na slici 7. Također treba napomenuti da su sva op pojačala dobila napajanje od +15V i -15V DC kako bi se omogućilo značajno pojačanje da se dogodi kada je to potrebno. Zatim su obavljeni i prijelazni test i izmjenično napajanje na dovršenom krugu.

Rezultati:

Grafikoni za svaku fazu mogu se pronaći direktno ispod odgovarajuće faze u odjeljku Slika u dodatku. Za prvu fazu, instrumentacijsko pojačalo, na krugu je proveden privremeni test kako bi se provjerilo da li je pojačanje pojačala 1000. Test je trajao od 1 - 1,25 sekundi s maksimalnim vremenskim korakom od 0,05. Napajani napon bio je AC sinusni val s amplitudom od 0,005 V i frekvencijom od 50 Hz. Predviđeno pojačanje je 1000 i kao što se vidi na slici 4, budući da je Vout (zelena krivulja) imao amplitudu od 5V. Izračunato je da je simulirani dobitak dobitak = Vout/Vin = 5V/0.005V = 1000. Stoga je postotak greške za ovu fazu 0%. 0,005 V je odabrano kao ulaz za ovaj odjeljak jer će se usko odnositi na ulaz primljen od elektrode kako je spomenuto u odjeljku o metodama.

Druga faza, pojasni filter, imala je ciljani raspon od 0,5 - 150 Hz. Kako bi se testirao filtar i osiguralo da se raspon podudara, desetljeće se radilo izmjenično napajanje sa 100 bodova po deceniji od 0,01 do 1000 Hz. Slika 5 prikazuje rezultate snimanja izmjeničnom strujom i potvrđuje da je postignut frekvencijski raspon od 0,5 do 150 Hz jer maksimalni minus 3 dB daje graničnu frekvenciju. Ova metoda je ilustrirana na grafikonu.

Treći stupanj, urezani filter, dizajniran je za uklanjanje buke koja se nalazi na oko 60 Hz. Izračunati centar frekvencije odbijanja bio je ~ 56 Hz. Da bi se to potvrdilo, desetljeće se vodilo izmjenjivanje naizmjenične struje sa 100 bodova po deceniji od 0,01 do 1000 Hz. Slika 6 prikazuje rezultate izmjenične struje i prikazuje središte odbijanja frekvencije ~ 56-59 Hz. Procenat greške za ovaj odjeljak bio bi 4,16 %.

Nakon što je potvrđeno da svaka pojedina faza radi, tri faze su zatim sastavljene kao što je prikazano na slici 7. Zatim je pokrenut prolazni test za provjeru pojačanja kola i test je trajao od 1 - 1,25 sekundi s maksimalnim vremenskim korakom od 0,05 sa napajani napon izmjeničnog sinusnog vala amplitude 0,005 V i frekvencije 50 Hz. Rezultirajući grafikon je prvi grafikon na slici 7 koji prikazuje Vout3 (crveno), izlaz cijelog kruga je 3,865 V i stoga čini dobitak = 3,865V/0,005V = 773. To se značajno razlikuje od predviđenog pojačanja od 1000 i daje grešku od 22,7%. Nakon prolaznog testa, desetljeća, izmjenjivanje naizmjenične struje izvodilo se sa 100 bodova po deceniji od 0,01 - 1000 Hz i proizvelo je drugi grafikon na slici 7. Ovaj grafikon ističe namjeravane rezultate i prikazuje filtere koji rade zajedno kako bi proizveli filter koji prihvaća frekvencije od 0,5-150 Hz sa centrom odbijanja od 57,5-58,8 Hz.

Jednačine:

(1) - dobitak instrumentacijskog pojačala [6], otpornici u odnosu na one koji se nalaze na slici 4.

(2) - granična frekvencija za nisko/visokopropusni filter

(3) - za dvostruki filter sa zarezima [8], otpornici u odnosu na one koji se nalaze na slici 6.

Korak 1: Instrumentacijsko pojačalo

Faza 1: instrumentacijsko pojačalo

jednadžba - DOBITAK = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3)

Korak 2: Propusni opseg

faza 2: pojasni filter

jednačina: granična frekvencija = 1/2πRC

Korak 3: Faza 3: Notch filter

faza 3: Twin T Notch filter

jednačina - frekvencija odbijanja centra = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Korak 4: Završna shema svih faza zajedno

Konačna shema sa izmjeničnom strujom i prijelaznim krivuljama

Korak 5: Rasprava o uređaju

Rasprava:

Rezultat gore navedenih testova bio je očekivan za krug u cjelini. Iako pojačanje nije bilo savršeno i signal se blago degradirao što je dalje prolazio kroz krug (što se može vidjeti na slici 7, grafikon 1 gdje se signal povećao s 0,005V na 5V nakon prve faze, a zatim se smanjio na 4V nakon druge i zatim 3.865V nakon završne faze), propusni opseg i zasječni filter su radili prema namjeni i proizvodili su frekvencijski raspon od 0.5-150 Hz sa uklanjanjem frekvencije oko 57.5-58.8 Hz.

Nakon što sam utvrdio parametre za svoj krug, usporedio sam ga s dva druga EKG -a. Direktnije poređenje sa samo brojevima može se naći u Tabeli 1. Postojala su tri glavna zaključka kada sam uporedio moje podatke sa drugim izvorima literature. Prvi je bio da je pojačanje u mom krugu bilo znatno manje od druga dva koje sam također uspoređivao. Oba kruga izvora literature postigla su pojačanje od 1000, a u Gawalijevom EKG -u [9], signal je još više pojačan za faktor 147 u fazi filtriranja. Stoga, iako je signal u mom krugu pojačan za 773 (greška od 22,7% u odnosu na standardno pojačanje) i smatra se dovoljno da može protumačiti ulazni signal sa elektrode [6], ipak je patuljast u odnosu na standardno pojačanje 1000. Da bi se postiglo standardno pojačanje u mom krugu, pojačanje u instrumentacijskom pojačalu bi trebalo povećati na faktor veći od 1000, tako da kada se pojačanje smanji nakon prolaska kroz svaku od faza filtra u mom krugu, i dalje ima pojačanje od najmanje 1000 ili je potrebno prilagoditi filtere kako bi se spriječilo povećanje nivoa pada napona.

Drugi veliki zaključak bio je da su sva tri kola imala vrlo slične frekvencijske opsege. Gawalijev [9] imao je potpuno isti raspon od 0,5-150 Hz, dok je Goa [10] imao nešto širi raspon od 0,05-159 Hz. Goin krug je imao ovu malu razliku jer je taj raspon bolje odgovarao kartici za prikupljanje podataka koja se koristila u njihovom postavljanju.

Posljednji veliki poticaj bile su razlike u središtu frekvencija odbijanja postignute usječenim filterima u svakom krugu. I Gao i moje kolo imali su cilj od 60 Hz kako bi suzbili linijsku frekvenciju koja je uzrokovala buku dalekovoda, dok je Gawalijeva postavljena na 50 Hz. Međutim, ovo odstupanje je u redu jer ovisno o lokaciji u svijetu, frekvencija dalekovoda može biti 50 ili 60 Hz. Stoga je napravljeno izravno poređenje samo s Goinim krugom budući da smetnje dalekovoda u Sjedinjenim Državama iznose 60 Hz [11]. Postotak greške je 3,08%.