Automatizované EKG: Amplifikácia a simulácie filtrov pomocou LTspice: 5 krokov

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

Toto je obrázok konečného zariadenia, ktoré budete stavať, a veľmi podrobná diskusia o každej časti. Tiež popisuje výpočty pre každú fázu.

Na obrázku je blokový diagram tohto zariadenia

Metódy a materiály:

Cieľom tohto projektu bolo vyvinúť zariadenie na zachytávanie signálu s cieľom charakterizovať konkrétny biologický signál/zhromaždiť relevantné údaje o signáli. Konkrétnejšie, automatické EKG. Blokový diagram zobrazený na obrázku 3 zvýrazňuje navrhovanú schému zariadenia. Zariadenie by prijalo biologický signál prostredníctvom elektródy a potom ho zosilnilo pomocou zosilňovača so ziskom 1000. Toto zosilnenie je nevyhnutné, pretože biologický signál bude menší pri približne 5 mV, čo je veľmi malé a je ťažké ho interpretovať [5]. Potom by sa šum znížil pomocou pásmového filtra, aby sa získal požadovaný frekvenčný rozsah signálu, 0,5 až 150 Hz, a potom by nasledoval zárez, aby sa odstránil normálny okolitý hluk spôsobený elektrickými vedeniami okolo 50 až 60 Hz. [11]. Nakoniec je potrebné signál previesť na digitál, aby ho bolo možné interpretovať pomocou počítača, a to pomocou analógovo -digitálneho prevodníka. V tejto štúdii sa však zameriame predovšetkým na zosilňovač, pásmový filter a zárezový filter.

Zosilňovač, pásmový filter a zárezový filter boli navrhnuté a simulované pomocou LTSpice. Každá sekcia bola najskôr vyvinutá samostatne a testovaná, aby sa zaistilo, že fungujú správne, a potom bola zreťazená do jednej konečnej schémy. Zosilňovač, ktorý je možné vidieť na obrázku 4, bol navrhnutý a vychádzal z prístrojového zosilňovača. Prístrojový zosilňovač sa bežne používa v EKG, monitoroch teploty a dokonca aj v detektoroch zemetrasení, pretože môže zosilniť veľmi nízku úroveň signálu a súčasne potlačiť prebytočný šum. Je tiež veľmi ľahké upraviť, aby sa prispôsobil akémukoľvek zisku, ktorý je potrebný [6]. Požadovaný zisk pre obvod je 1000 a bol zvolený, pretože vstup z elektródy bude striedavý signál menší ako 5 mV [5] a je potrebné ho zosilniť, aby sa údaje jednoduchšie interpretovali. Aby sa dosiahol zisk 1000, použila sa rovnica (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3), ktorá preto poskytla GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω)/101,01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. Aby sa potvrdilo, že bolo dosiahnuté správne množstvo amplifikácie, bol vykonaný prechodový test s použitím LTspice.

Druhým stupňom bol pásmový filter. Tento filter je viditeľný na obrázku 5 a skladá sa z dolného a potom horného priepustného filtra s operačným zosilňovačom medzi nimi, aby sa zabránilo vzájomnému rušeniu filtrov. Účelom tejto etapy je vytvoriť stanovený rozsah frekvencií, ktoré budú prijateľné na prechod zariadením. Požadovaný rozsah pre toto zariadenie je 0,5 - 150 Hz, pretože toto je štandardný rozsah pre EKG [6]. Aby sa dosiahol tento cieľový rozsah, použila sa rovnica (2) medzná frekvencia = 1/(2πRC), aby sa určila medzná frekvencia pre hornopriepustný aj dolnopriepustný filter v pásmovom pásme. Pretože dolný koniec rozsahu mal byť 0,5 Hz, hodnoty rezistora a kondenzátora horného priepustného filtra boli vypočítané tak, aby boli 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83 µF) a aby horný koniec musel byť 150 Hz, nízky Hodnoty rezistora a kondenzátora priepustného filtra boli vypočítané tak, aby boli 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1,061 µF). Aby sa potvrdilo, že bol dosiahnutý správny frekvenčný rozsah, bolo vykonané AC striedanie pomocou LTspice.

Tretím a posledným simulovaným stupňom je zárezový filter, ktorý je možné vidieť na obrázku 6. Zárezový filter slúži ako prostriedok na elimináciu nežiaduceho šumu, ktorý sa vyskytuje v strede požadovaného frekvenčného rozsahu vytvoreného pásmovým priechodom. Cieľová frekvencia je v tomto prípade 60 Hz, pretože to je štandardná frekvencia elektrického vedenia v USA a ak sa tým nezaoberá, spôsobuje rušenie [7]. Zárezový filter vybraný na zvládnutie tohto rušenia bol dvojitý zárezový filter s dvoma operačnými zosilňovačmi a deličom napätia. To umožní, aby signál nielen odfiltroval signál priamo na cieľovej frekvencii, ale tiež zaviedol do systému variabilnú spätnú väzbu, nastaviteľný faktor kvality Q a variabilný výstup vďaka deliču napätia, a preto sa stal aktívnym filtrom namiesto pasívny [8]. Tieto ďalšie faktory však boli v počiatočných testoch väčšinou nedotknuté, ale budú dotknuté v budúcich prácach a ako projekt neskôr zlepšiť. Aby sa určil stred frekvencie odmietnutia, rovnica (3) stredná frekvencia odmietnutia = 1/(2π)*√ (1/(C2*C3*R5*(R3+R4))) = 1/(2π)* Použil sa √ (1/[(0,1*10^-6 µF)*(0,1*10^-6 µF) (15 000 ohmov)*(26525 ohm +26525 ohm)]) = 56,420 Hz. Aby sa potvrdilo, že bola dosiahnutá správna frekvencia odmietnutia, bolo vykonané AC striedanie pomocou LTspice.

Nakoniec, potom, čo bol každý stupeň testovaný oddelene, boli tieto tri stupne kombinované, ako je znázornené na obrázku 7. Treba tiež poznamenať, že všetky operačné zosilňovače boli dodávané s napájaním +15 V a -15 V DC, aby sa umožnilo podstatné zosilnenie. nastať v prípade potreby. Potom bol na dokončenom obvode vykonaný prechodový test a striedavý prúd.

Výsledky:

Grafy pre každú fázu nájdete priamo pod príslušnou fázou v časti Obrázok v prílohe. V prvom stupni, prístrojovom zosilňovači, sa na obvode vykonal prechodový test, aby sa overilo, či zosilnenie zosilňovača bolo 1 000. Test prebiehal od 1 do 1,25 sekundy s maximálnym časovým krokom 0,05. Dodávané napätie bola sínusová vlna AC s amplitúdou 0,005 V a frekvenciou 50 Hz. Zamýšľaný zisk bol 1 000 a ako je vidieť na obrázku 4, pretože Vout (zelená krivka) mala amplitúdu 5V. Simulovaný zisk bol vypočítaný tak, aby bol zisk = Vout/Vin = 5V/0,005V = 1 000. Preto je percentuálna chyba pre tento stupeň 0%. Ako vstup pre túto sekciu bolo zvolené 0,005 V, pretože bude úzko súvisieť so vstupom prijatým z elektródy, ako je uvedené v časti o metódach.

Druhý stupeň, pásmový filter, mal cieľový rozsah 0,5 - 150 Hz. Aby sa testoval filter a zaistil sa zhodný rozsah, desaťročie sa vykonávalo striedanie striedavým prúdom so 100 bodmi za desaťročie od 0,01 do 1 000 Hz. Obrázok 5 ukazuje výsledky zo striedania striedavým prúdom a potvrdzuje, že sa dosiahol frekvenčný rozsah 0,5 až 150 Hz, pretože maximum mínus 3 dB udáva medznú frekvenciu. Táto metóda je znázornená na grafe.

Tretí stupeň, zárezový filter, bol navrhnutý tak, aby eliminoval hluk okolo 60 Hz. Vypočítaný stred frekvencie odmietnutia bol ~ 56 Hz. Aby sa to potvrdilo, desaťročie sa striedalo striedavo so 100 bodmi za desaťročie od 0,01 do 1 000 Hz. Obrázok 6 zobrazuje výsledky zo striedania striedavým prúdom a ilustruje stred frekvencie odmietnutia ~ 56-59 Hz. Percentuálna chyba v tejto sekcii by bola 4,16 %.

Po potvrdení, že každý jednotlivý stupeň funguje, boli tri stupne zostavené, ako je znázornené na obrázku 7. Potom sa vykonal prechodový test na kontrolu zosilnenia obvodu a test trval 1 až 1,25 sekundy s maximálnym časovým krokom 0,05 s dodávané napätie sínusovej vlny AC s amplitúdou 0,005 V a frekvenciou 50 Hz. Výsledný graf je prvým grafom na obrázku 7, ktorý ukazuje Vout3 (červená), výstup celého obvodu je 3,865 V, a preto tvorí zisk = 3,865V/0,005V = 773. Toto je výrazne odlišné od predpokladaného zisku 1000 a dáva chybu 22,7%. Po prechodnom teste, desaťročnom cykle AC, prebiehala 100 bodov za dekádu od 0,01 do 1 000 Hz a bol vytvorený druhý graf na obrázku 7. Tento graf zvýrazňuje zamýšľané výsledky a ukazuje filtre pracujúce v tandeme na výrobu filtra, ktorý akceptuje frekvencie od 0,5 do 150 Hz so stredom odmietnutia od 57,5 do 58,8 Hz.

Rovnice:

(1) - zosilnenie prístrojového zosilňovača [6], odpory relatívne k odporom uvedeným na obrázku 4.

(2) - medzná frekvencia pre dolno/hornopriepustný filter

(3) - pre dvojitý zárezový filter [8] odpory relatívne k odporom uvedeným na obrázku 6.

Krok 1: Prístrojový zosilňovač

Fáza 1: prístrojový zosilňovač

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

Krok 2: Bandpass

stupeň 2: pásmový filter

rovnica: medzná frekvencia = 1/2πRC

Krok 3: Fáza 3: Zárezový filter

stupeň 3: Twin T Notch filter

rovnica - frekvencia odmietnutia stredu = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Krok 4: Konečná schéma všetkých fáz spoločne

Záverečná schéma s cyklom striedania a prechodovými krivkami

Krok 5: Diskusia o zariadení

Diskusia:

Výsledok vyššie vykonaných testov pre obvod ako celok dopadol podľa očakávania. Aj keď zosilnenie nebolo dokonalé a signál sa mierne zhoršoval, čím ďalej prešiel obvodom (čo je možné vidieť na obrázku 7, graf 1, kde sa signál zvýšil z 0,005 V na 5 V po prvom stupni a potom sa znížil na 4 V po druhom a potom 3,865 V po záverečnej fáze), pásmový a zárezový filter fungoval podľa plánu a produkoval frekvenčný rozsah 0,5-150 Hz s odstránením frekvencie asi 57,5-58,8 Hz.

Po stanovení parametrov pre môj obvod som ho potom porovnal s dvoma ďalšími EKG. Priamejšie porovnanie iba s číslami je uvedené v tabuľke 1. Pri porovnávaní mojich údajov s inými zdrojmi literatúry existovali tri hlavné postupy. Prvým bolo, že zosilnenie v mojom obvode bolo výrazne nižšie ako v ostatných dvoch, ktoré som porovnával. Oba obvody zdrojov literatúry dosiahli zosilnenie 1000 a v Gawaliho EKG [9] bol signál ešte viac zosilnený faktorom 147 vo filtračnom stupni. Preto aj keď bol signál v mojom obvode zosilnený o 773 (22,7% chyba pri porovnaní so štandardným zosilnením) a považoval sa za dostatočný na to, aby dokázal interpretovať vstupný signál z elektródy [6], stále je v porovnaní so štandardným zosilnením zakrpatený. 1 000. Ak by sa v mojom obvode malo dosiahnuť štandardné zosilnenie, zosilnenie v prístrojovom zosilňovači by bolo potrebné zvýšiť na faktor vyšší ako 1 000, takže keď sa zosilnenie zníži po prechode každým z filtračných stupňov v mojom obvode, stále má zisk najmenej 1 000 alebo filtre je potrebné upraviť, aby sa zabránilo výskytu vyšších úrovní poklesu napätia.

Druhým veľkým odberom bolo, že všetky tri obvody mali veľmi podobné frekvenčné rozsahy. Gawaliho [9] mal presne rovnaký rozsah 0,5-150 Hz, zatiaľ čo Goa [10] mal o niečo širší rozsah 0,05-159 Hz. Goaov obvod mal tento malý rozdiel, pretože tento rozsah lepšie vyhovoval karte na získavanie údajov, ktorá sa používala pri ich nastavení.

Posledným veľkým odberom boli rozdiely v strede frekvencií odmietania dosiahnuté zárezovými filtrami v každom obvode. Gao a môj obvod mali cieľ 60 Hz, aby sa potlačil šum spôsobený elektrickými vedeniami, zatiaľ čo Gawaliho bol nastavený na 50 Hz. Tento nesúlad je však v poriadku, pretože v závislosti od polohy na svete môže byť frekvencia elektrického vedenia 50 alebo 60 Hz. Preto bolo urobené priame porovnanie s obvodom Goa, pretože interferencia elektrického vedenia v USA je 60 Hz [11]. Percentuálna chyba je 3,08%.