Automatické EKG: Amplifikace a simulace filtrů pomocí LTspice: 5 kroků

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

Toto je obrázek konečného zařízení, které budete stavět, a velmi podrobná diskuse o každé části. Také popisuje výpočty pro každou fázi.

Obrázek ukazuje blokové schéma pro toto zařízení

Metody a materiály:

Cílem tohoto projektu bylo vyvinout zařízení pro získávání signálu s cílem charakterizovat konkrétní biologický signál/shromáždit relevantní data o signálu. Přesněji řečeno, automatické EKG. Blokové schéma zobrazené na obrázku 3 zdůrazňuje navrhované schéma pro zařízení. Zařízení by přijímalo biologický signál prostřednictvím elektrody a poté jej zesilovalo pomocí zesilovače se ziskem 1000. Toto zesílení je nezbytné, protože biologický signál bude menší při přibližně 5 mV, což je velmi malé a lze jej obtížně interpretovat [5]. Poté by byl hluk snížen pomocí pásmového filtru, aby se získal požadovaný frekvenční rozsah signálu, 0,5-150 Hz, a poté by následoval zářez, aby se odstranil normální okolní hluk způsobený elektrickými vedeními kolem 50-60 Hz [11]. Nakonec je třeba signál převést na digitální, aby jej bylo možné interpretovat pomocí počítače, a to se provádí pomocí převodníku analogového signálu na digitální. V této studii se však pozornost zaměří především na zesilovač, pásmový filtr a zářezový filtr.

Zesilovač, pásmový filtr a zářezový filtr byly navrženy a simulovány pomocí LTSpice. Každá sekce byla nejprve vyvinuta samostatně a testována, aby se zajistilo, že fungují správně, a poté byla spojena do jednoho konečného schématu. Zesilovač, který je vidět na obrázku 4, byl navržen a založen na přístrojovém zesilovači. Přístrojový zesilovač se běžně používá v EKG, teplotních monitorech a dokonce i detektorech zemětřesení, protože dokáže zesílit velmi nízkou úroveň signálu a současně potlačit přebytečný šum. Je také velmi snadné jej upravit, aby se přizpůsobil jakémukoli zesílení, které je potřeba [6]. Požadovaný zisk pro obvod je 1000 a toto bylo zvoleno, protože vstup z elektrody bude AC signál menší než 5 mV [5] a je třeba jej zesílit, aby byla data snáze interpretována. Aby bylo dosaženo zisku 1000, byla použita rovnice (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3), která tedy poskytla GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω)/101,01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. Aby se potvrdilo, že bylo dosaženo správného množství zesílení, byl proveden přechodový test s použitím LTspice.

Druhým stupněm byl pásmový filtr. Tento filtr je vidět na obrázku 5 a skládá se z dolního a poté horního filtru s operačním zesilovačem mezi nimi, aby se zabránilo vzájemnému rušení filtrů. Účelem této fáze je vytvořit stanovený rozsah frekvencí, které budou přijatelné pro průchod zařízením. Požadovaný rozsah pro toto zařízení je 0,5 - 150 Hz, protože toto je standardní rozsah pro EKG [6]. Aby se dosáhlo tohoto cílového rozsahu, byla použita rovnice (2) mezní frekvence = 1/(2πRC), aby se určila mezní frekvence pro horní i dolní propust v pásmovém pásmu. Vzhledem k tomu, že spodní konec rozsahu měl být 0,5 Hz, byly hodnoty horního propustného filtračního odporu a kondenzátoru vypočítány na 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83 µF) a s horním koncem na 150 Hz, dolní Hodnoty rezistoru a kondenzátoru propustného filtru byly vypočteny tak, aby byly 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1,061 µF). Aby se potvrdilo, že bylo dosaženo správného kmitočtového rozsahu, byl spuštěn AC rozmítání pomocí LTspice.

Třetí a poslední simulovanou fází je vrubový filtr a lze jej vidět na obrázku 6. Vrubový filtr slouží jako prostředek k eliminaci nežádoucího šumu, který se vyskytuje uprostřed požadovaného frekvenčního rozsahu vytvářeného pásmovým průchodem. Cílová frekvence je v tomto případě 60 Hz, protože to je standardní frekvence elektrického vedení ve Spojených státech a pokud není řešeno, způsobují rušení [7]. Zářezový filtr vybraný za účelem zvládnutí tohoto rušení byl dvojitý zářezový filtr se dvěma operačními zesilovači a děličem napětí. To umožní, aby signál nejen odfiltroval signál přímo na cílové frekvenci, ale také zavedl proměnnou zpětnou vazbu do systému, nastavitelný faktor kvality Q a proměnný výstup díky děliči napětí, a proto se z něj stal aktivní filtr místo pasivní [8]. Tyto dodatečné faktory však byly v počátečních testech většinou nedotčeny, ale budou se dotýkat budoucích prací a způsobu, jak projekt později vylepšit. Abychom určili střed frekvence odmítnutí, rovnice (3) frekvence středního odmítnutí = 1/(2π)*√ (1/(C2*C3*R5*(R3+R4))) = 1/(2π)* Bylo použito √ (1/[(0,1*10^-6 µF)*(0,1*10^-6 µF) (15 000Ω)*(26525Ω +26525Ω)]) = 56,420 Hz. Aby se potvrdilo, že bylo dosaženo správné frekvence odmítnutí, bylo provedeno AC rozmítání pomocí LTspice.

Nakonec, poté, co byl každý stupeň testován samostatně, byly tři stupně spojeny, jak je vidět na obrázku 7. Je třeba také poznamenat, že všechny operační zesilovače byly napájeny napájecím zdrojem +15 V a -15 V DC, aby bylo umožněno podstatné zesílení dojít v případě potřeby. Poté byl na dokončeném obvodu proveden přechodový test a střídání AC.

Výsledek:

Grafy pro každou fázi najdete přímo pod příslušnou fází v části Obrázek v příloze. V první fázi, instrumentálním zesilovači, byl na obvodu spuštěn přechodový test, aby se ověřilo, že zisk pro zesilovač byl 1000. Test probíhal od 1 do 1,25 sekundy s maximálním časovým krokem 0,05. Dodávané napětí byla sinusová vlna AC s amplitudou 0,005 V a frekvencí 50 Hz. Zamýšlený zisk byl 1 000 a jak je vidět na obrázku 4, protože Vout (zelená křivka) měla amplitudu 5V. Simulovaný zisk byl vypočítán tak, aby byl zisk = Vout/Vin = 5V/0,005V = 1 000. Proto je procentuální chyba pro tuto fázi 0%. Jako vstup pro tuto sekci bylo vybráno 0,005 V, protože bude úzce souviset se vstupem přijímaným z elektrody, jak je uvedeno v sekci metod.

Druhý stupeň, pásmový filtr, měl cílový rozsah 0,5 - 150 Hz. Aby bylo možné testovat filtr a ujistit se, že rozsah odpovídá, bylo provedeno desetiletí střídání AC se 100 body za desetiletí od 0,01 do 1 000 Hz. Obrázek 5 ukazuje výsledky AC střídání a potvrzuje, že bylo dosaženo frekvenčního rozsahu 0,5 až 150 Hz, protože maximální mínus 3 dB udává mezní frekvenci. Tato metoda je znázorněna na grafu.

Třetí stupeň, zářezový filtr, byl navržen tak, aby eliminoval hluk kolem 60 Hz. Vypočítaný střed frekvence odmítnutí byl ~ 56 Hz. Aby se to potvrdilo, probíhalo desetiletí střídání AC se 100 body za desetiletí od 0,01 do 1 000 Hz. Obrázek 6 ukazuje výsledky AC střídání a ilustruje střed frekvence odmítnutí ~ 56-59 Hz. Procentní chyba v této sekci by byla 4,16 %.

Po potvrzení, že každý jednotlivý stupeň funguje, byly tři stupně sestaveny, jak je vidět na obrázku 7. Poté byl proveden přechodový test ke kontrole zesílení obvodu a test probíhal od 1 do 1,25 sekundy s maximálním časovým krokem 0,05 s dodávané napětí sinusové vlny AC s amplitudou 0,005 V a frekvencí 50 Hz. Výsledný graf je prvním grafem na obrázku 7, který ukazuje Vout3 (červená), výstup celého obvodu je 3,865 V, a proto činí zisk = 3,865V/0,005V = 773. To je výrazně odlišné od předpokládaného zisku 1000 a dává chybu 22,7%. Po přechodném testu, desetiletí, probíhalo střídání střídavým proudem se 100 body za desetiletí od 0,01 do 1 000 Hz a vytvořil druhý graf na obrázku 7. Tento graf zvýrazňuje zamýšlené výsledky a ukazuje filtry pracující v tandemu k vytvoření filtru, který přijímá frekvence od 0,5 do 150 Hz se středem odmítnutí od 57,5 do 58,8 Hz.

Rovnice:

(1) - zesílení přístrojového zesilovače [6], odpory vzhledem k rezistorům uvedeným na obrázku 4.

(2) - mezní frekvence pro dolní/horní propust

(3) - u dvojitého t zářezového filtru [8] odpory vzhledem k rezistorům uvedeným na obrázku 6.

Krok 1: Instrumentální zesilovač

Fáze 1: přístrojový zesilovač

rovnice - ZISK = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3)

Krok 2: Bandpass

fáze 2: pásmový filtr

rovnice: mezní frekvence = 1/2πRC

Krok 3: Fáze 3: Zářezový filtr

fáze 3: Twin T Notch filtr

rovnice - frekvence odmítnutí středu = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Krok 4: Konečné schéma všech fází dohromady

Konečné schéma se střídáním a přechodovými křivkami

Krok 5: Diskuse o zařízení

Diskuse:

Výsledek výše provedených testů proběhl podle očekávání pro okruh jako celek. Ačkoli zesílení nebylo dokonalé a signál se mírně zhoršoval, tím více procházel obvodem (což lze vidět na obrázku 7, graf 1, kde se signál zvýšil z 0,005 V na 5 V po prvním stupni a poté klesl na 4 V po druhém a poté 3,865 V po závěrečné fázi), pásmový a zářezový filtr fungoval podle plánu a produkoval frekvenční rozsah 0,5–150 Hz s odstraněním frekvence přibližně 57,5–58,8 Hz.

Po stanovení parametrů pro můj obvod jsem jej porovnal s dalšími dvěma EKG. Přímější srovnání s pouhými čísly lze nalézt v tabulce 1. Při porovnávání mých údajů s jinými literárními zdroji došlo ke třem hlavním postupům. První bylo, že zesílení v mém obvodu bylo výrazně nižší než u ostatních dvou, které jsem také porovnával. Oba obvody zdrojů literatury dosáhly zesílení 1000 a v Gawaliho EKG [9] byl signál ještě dále zesílen faktorem 147 ve filtračním stupni. Proto, ačkoli byl signál v mém obvodu zesílen o 773 (22,7% chyba při srovnání se standardním zesílením) a považoval se za dostatečný k tomu, aby dokázal interpretovat vstupní signál z elektrody [6], ve srovnání se standardním zesílením je stále zakrnělý 1000. Pokud by bylo v mém obvodu dosaženo standardního zesílení, bylo by nutné zesílení v přístrojovém zesilovači zvýšit na faktor větší než 1000, takže když se zesílení zeslabí po průchodu každým z filtračních stupňů v mém obvodu, stále má zisk alespoň 1000 nebo je třeba filtry upravit, aby se zabránilo vyšším úrovním poklesu napětí.

Druhým velkým jídlem bylo, že všechny tři obvody měly velmi podobné frekvenční rozsahy. Gawaliho [9] měl přesně stejný rozsah 0,5–150 Hz, zatímco Goa [10] měl mírně širší rozsah 0,05–159 Hz. Goaův obvod měl tuto malou nesrovnalost, protože tento rozsah lépe vyhovoval kartě pro získávání dat, která byla používána při jejich nastavení.

Posledním velkým s sebou byly rozdíly ve středu frekvencí odmítnutí dosažené zářezovými filtry v každém obvodu. Gao's a můj obvod měli cíl 60 Hz, aby potlačili šum způsobený elektrickými vedeními, zatímco Gawaliho byl nastaven na 50 Hz. Tato nesrovnalost je však v pořádku, protože v závislosti na umístění na světě může být frekvence elektrického vedení 50 nebo 60 Hz. Proto bylo provedeno přímé srovnání s Goaovým obvodem, protože interference elektrického vedení ve Spojených státech je 60 Hz [11]. Procentní chyba je 3,08%.