Získanie, zosilnenie a návrh filtračného obvodu základného elektrokardiogramu: 6 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Na splnenie tohto pokynu sú potrebné iba počítač, prístup na internet a nejaký simulačný softvér. Na účely tohto návrhu budú všetky obvody a simulácie spustené na LTspice XVII. Tento simulačný softvér obsahuje knižnice s viac ako 1 000 komponentmi, čo uľahčuje vytváranie obvodov. Pretože tieto obvody budú zovšeobecnené, „UniversalOpAmp2“sa použije pre všetky prípady, kde je potrebný operačný zosilňovač. Každý operačný zosilňovač bol navyše napájaný zdrojom +15V a -15V. Tieto napájacie zdroje nielen napájajú operačný zosilňovač, ale tiež klipujú výstupné napätie, ak má dosiahnuť ktorýkoľvek z týchto dvoch extrémov.

Krok 1: Návrh zosilňovača prístrojov

Po získaní signálu je potrebné ho zosilniť, aby sa na ňom mohli vykonávať výpočty a filtrovať. V prípade elektrokardiogramov je najbežnejšou metódou zosilnenia prístrojový zosilňovač. Ako je uvedené vyššie, prístrojový zosilňovač má mnoho výhod, pokiaľ ide o zosilňovacie obvody, pričom najväčšou je vysoká impedancia medzi vstupnými napätiami. Na zostrojenie tohto obvodu boli použité 3 operačné zosilňovače v spojení so siedmimi odpormi, pričom šesť odporov má rovnakú veľkosť. Zisk väčšiny elektrokardiogramov je približne 1 000 -násobok vstupného signálu [1]. Rovnica pre zosilnenie prístrojového zosilňovača je nasledovná: Zisk = 1 + (2 * R1/R2) * (R7/R6). Pre jednoduchosť sa predpokladalo, že každý odpor je 1 000 ohmov, s výnimkou R2, ktorý bol určený ako 2 ohmy. Tieto hodnoty poskytujú zisk 1001 -krát väčší ako vstupné napätie. Tento zisk je dostatočný na zosilnenie získaných signálov pre ďalšiu analýzu. Pri použití rovnice však môže byť zisk taký, aký chce človek pre svoj návrh obvodu.

Krok 2: Návrh pásmového filtra

Pásmový filter je hornopriepustný a dolnopriepustný filter pracujúci v koordinácii zvyčajne s operačným zosilňovačom, aby poskytol to, čo je známe ako priepustné pásmo. Passband je rozsah frekvencií, ktoré môžu prejsť, zatiaľ čo všetky ostatné, nad a pod, budú odmietnuté. Priemyselné normy uvádzajú, že štandardný elektrokardiogram musí mať priepustný rozsah od 0,5 Hz do 150 Hz [2]. Toto veľké pásmo zaisťuje, že je zaznamenaný všetok elektrický signál zo srdca a žiadny z nich nie je odfiltrovaný. Podobne toto priepustné pásmo odmieta akékoľvek jednosmerné napätie, ktoré by mohlo rušiť signál. Aby to bolo možné navrhnúť, musia byť zvolené konkrétne odpory a kondenzátory tak, aby horná hraničná medzná frekvencia bola 0,5 Hz a dolná priepustná frekvencia bola 150 Hz. Rovnica medznej frekvencie pre horný aj dolný priepustný filter je nasledovná: Fc = 1/(2*pi*RC). Pre moje výpočty bol zvolený ľubovoľný odpor, potom pomocou rovnice 4 bola vypočítaná hodnota kondenzátora. Preto bude mať hornopriepustný filter hodnotu odporu 100 000 ohmov a hodnotu kondenzátora 3,1831 mikrofaradov. Podobne bude mať dolnopriepustný filter hodnotu odporu 100 000 ohmov a hodnotu kondenzátora 10,61 nano-farad. Je zobrazený diagram pásmového filtra s upravenými hodnotami.

Krok 3: Návrh filtra zárezu

Zárezový filter je v podstate opakom pásmového filtra. Namiesto toho, aby mal horný priechod nasledovaný dolným priechodom, ide o dolný priechod, po ktorom nasleduje horný priechod, preto je možné v zásade eliminovať jedno malé pásmo hluku. Pre zárezový filter elektrokardiogramu bol použitý dizajn zárezového filtra Twin-T. Tento dizajn umožňuje filtráciu stredovej frekvencie a poskytuje veľký faktor kvality. V tomto prípade bola stredová frekvencia, ktorej sa treba zbaviť, 60 Hz. Pomocou rovnice 4 boli hodnoty rezistora vypočítané pomocou danej hodnoty kondenzátora 0,1 mikrofarad. Vypočítané hodnoty rezistorov pre zastavovacie pásmo 60 Hz boli 26 525 ohmov. Potom bol R5 vypočítaný ako 1/2 R3 a R4. C3 bol tiež vypočítaný ako dvojnásobok hodnoty zvolenej pre C1 a C2 [3]. Pre R1 a R2 boli zvolené ľubovoľné odpory.

Krok 4: Kombinovaný obvod

Pomocou sietí boli tieto súčasti umiestnené do série dohromady a je zobrazený obrázok dokončeného obvodu. Podľa článku publikovaného spoločnosťou Springer Science by prijateľný zisk obvodu EKG mal byť okolo 70 dB, keď je celý obvod nastavený [4].

Krok 5: Testovanie celého obvodu

Keď boli všetky komponenty zaradené do série, bola potrebná validácia návrhu. Testovaním tohto obvodu sa vykonal prechodný aj striedavý ťah, aby sa zistilo, či všetky súčasti fungujú súčasne. Ak by to tak bolo, prechodné výstupné napätie by bolo stále asi 1000 -násobkom vstupného napätia. Rovnako tak, keď bolo vykonané striedanie striedavým prúdom, očakával by sa plotový pásmový filter filtra so zárezom pri 60 Hz. Pri pohľade na obrázky na obrázku bol tento okruh schopný úspešne dosiahnuť oba tieto ciele. Ďalším testom bolo zistiť účinnosť zárezového filtra. Aby sa to otestovalo, obvodom prešiel signál 60 Hz. Ako je na obrázku, veľkosť tohto výstupu bola iba asi 5x väčšia ako vstupná hodnota v porovnaní s 1 000 ×, keď je frekvencia v pásme priepustnosti.

Krok 6: Zdroje:

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

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

[3] „Filtre zastavenia pásma sa nazývajú odmietavé filtre“, základné návody pre elektroniku, 22. mája 2018.

[4] N. Guler a U. Fidan, „Bezdrôtový prenos signálu EKG“, Springer Science, zv. 30, apríl 2005, doi: 10,1007/s10916-005-7980-5.