Akviziční, zesilovací a filtrační obvodový návrh základního elektrokardiogramu: 6 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:18

Aby bylo možné dokončit tento pokyn, jsou k tomu zapotřebí pouze počítač, přístup na internet a nějaký simulační software. Pro účely tohoto návrhu budou všechny obvody a simulace spuštěny na LTspice XVII. Tento simulační software obsahuje knihovny s více než 1 000 součástkami, což velmi usnadňuje vytváření obvodů. Protože tyto obvody budou zobecněny, „UniversalOpAmp2“bude použit pro každou instanci, kde je potřeba operační zesilovač. Každý operační zesilovač byl navíc napájen napájecím zdrojem +15V a -15V. Tyto napájecí zdroje nejen napájí operační zesilovač, ale také omezují výstupní napětí, pokud by dosáhlo některého z těchto dvou extrémů.

Krok 1: Návrh zesilovače přístrojů

Poté, co byl signál získán, je třeba jej zesílit, aby na něm bylo možné provádět výpočty a filtrovat. U elektrokardiogramů je nejběžnější metodou zesílení přístrojový zesilovač. Jak již bylo uvedeno výše, přístrojový zesilovač má mnoho výhod, pokud jde o zesilovací obvody, největší je vysoká impedance mezi vstupními napětími. Pro konstrukci tohoto obvodu byly použity 3 operační zesilovače ve spojení se sedmi odpory, přičemž šest odporů mělo stejnou velikost. Zisk většiny elektrokardiogramů je kolem 1000násobku vstupního signálu [1]. Rovnice pro zisk zesilovače instrumentace je následující: Zisk = 1 + (2 * R1/R2) * (R7/R6). Pro jednoduchost se předpokládalo, že každý odpor je 1000 ohmů, s výjimkou R2, který byl určen jako 2 ohmy. Tyto hodnoty dávají zisk 1001krát větší než vstupní napětí. Tento zisk je dostatečný k zesílení získaných signálů pro další analýzu. Pomocí rovnice však může být zisk jakýkoli, který by člověk chtěl pro svůj návrh obvodu.

Krok 2: Návrh filtru pásmového průchodu

Pásmový filtr je horní propust a dolní propust pracující v koordinaci obvykle s operačním zesilovačem, který poskytuje takzvané propustné pásmo. Passband je rozsah frekvencí, které mohou projít, zatímco všechny ostatní, nad i pod, budou odmítnuty. Průmyslové standardy uvádějí, že standardní elektrokardiogram musí mít propustné pásmo od 0,5 Hz do 150 Hz [2]. Toto velké propustné pásmo zajišťuje, že veškerý elektrický signál ze srdce je zaznamenán a žádný z nich není odfiltrován. Stejně tak toto propustné pásmo odmítá jakýkoli DC offset, který by mohl interferovat se signálem. Aby to bylo možné navrhnout, musí být zvoleny specifické odpory a kondenzátory tak, aby horní mezní frekvence byla 0,5 Hz a dolní mezní frekvence 150 Hz. Rovnice mezní frekvence pro horní i dolní propust je následující: Fc = 1/(2*pi*RC). Pro mé výpočty byl zvolen libovolný odpor, poté pomocí rovnice 4 byla vypočítána hodnota kondenzátoru. Proto bude mít filtr s vysokým průchodem hodnotu odporu 100 000 ohmů a hodnotu kondenzátoru 3,1831 mikrofarad. Podobně bude mít dolní propust hodnotu odporu 100 000 ohmů a hodnotu kondenzátoru 10,61 nano-farad. Zobrazí se diagram pásmového filtru s upravenými hodnotami.

Krok 3: Návrh filtru Notch

Zářezový filtr je v podstatě opakem pásmového filtru. Namísto vysokého průchodu následovaného dolním průchodem je to dolní průchod následovaný horním průchodem, proto lze v podstatě eliminovat jedno malé pásmo hluku. Pro zářezový filtr elektrokardiogramu byl použit design zářezového filtru Twin-T. Tato konstrukce umožňuje filtrování střední frekvence a poskytuje velký faktor kvality. V tomto případě byla střední frekvence, které se mělo zbavit, 60 Hz. Pomocí rovnice 4 byly hodnoty odporů vypočteny pomocí dané hodnoty kondenzátoru 0,1 mikrofarad. Vypočtené hodnoty odporů pro zastavovací pásmo 60 Hz byly 26 525 ohmů. Poté byl R5 vypočítán jako polovina R3 a R4. C3 byl také vypočítán jako dvojnásobek hodnoty zvolené pro C1 a C2 [3]. Pro R1 a R2 byly zvoleny libovolné odpory.

Krok 4: Kombinovaný obvod

Pomocí sítí byly tyto součásti umístěny do série dohromady a je zobrazen obrázek dokončeného obvodu. Podle článku publikovaného Springer Science by přijatelný zisk obvodu EKG měl být kolem 70 dB, když je celý obvod nastaven [4].

Krok 5: Testování celého obvodu

Když byly všechny součásti zařazeny do série, bylo zapotřebí ověření návrhu. Při testování tohoto obvodu byl proveden přechodový i střídavý tah, aby se zjistilo, zda všechny součásti pracují současně. Pokud by tomu tak bylo, přechodové výstupní napětí by bylo stále asi 1000násobkem vstupního napětí. Podobně, když bylo provedeno rozmítání střídavého proudu, očekával by se plotový pásmový filtr se zářezem při 60 Hz. Při pohledu na obrázky na obrázku byl tento okruh schopen úspěšně dosáhnout obou těchto cílů. Dalším testem bylo zjistit účinnost zářezového filtru. Aby se to otestovalo, obvodem prošel signál 60 Hz. Jak je na obrázku, velikost tohoto výstupu byla jen asi 5x větší než vstup, ve srovnání s 1000x, když je frekvence v pásmu propustnosti.

Krok 6: Zdroje:

[1] „Systém měření EKG“, Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (přístup 1. prosince, 2020).

[2] L. G. Tereshchenko a M. E. Josephson, „Frekvenční obsah a charakteristiky komorového vedení“, Journal of electrocardiology, sv. 48, č. 6, s. 933–937, 2015, doi: 10,1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] „Filtry pro zastavení pásma se nazývají odmítavé filtry“, základní výukové programy pro elektroniku, 22. května 2018.

[4] N. Guler a U. Fidan, „Bezdrátový přenos signálu EKG“, Springer Science, sv. 30. dubna 2005, doi: 10,1007/s10916-005-7980-5.