Egy alapvető elektrokardiogram megszerzése, erősítése és szűrési áramkörének kialakítása: 6 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:39

Ennek az utasításnak a teljesítéséhez csak számítógépre, internet -hozzáférésre és néhány szimulációs szoftverre van szükség. Ebből a célból minden áramkör és szimuláció az LTspice XVII rendszeren fut. Ez a szimulációs szoftver több mint 1000 komponensből álló könyvtárat tartalmaz, ami nagyon egyszerűvé teszi az áramkörök létrehozását. Mivel ezeket az áramköröket általánosítani fogják, a „UniversalOpAmp2” minden olyan esetben használatos, ahol op-erősítőre van szükség. Ezenkívül minden op -erősítőt +15V és -15V tápegység táplált. Ezek a tápegységek nemcsak az op-erősítőt táplálják, hanem a kimeneti feszültséget is lecsökkentik, ha az eléri a két végletet.

1. lépés: A műszeres erősítő tervezése

A jel megszerzése után erősíteni kell, hogy számításokat és szűrést végezzen rajta. Az elektrokardiogramok esetében az erősítés leggyakoribb módja a műszeres erősítő. Mint már említettük, a műszeres erősítőnek számos előnye van az erősítő áramkörök tekintetében, a legnagyobb a bemeneti feszültségek közötti nagy impedancia. Ennek az áramkörnek az elkészítéséhez 3 op-erősítőt használtak hét ellenállással együtt, és hat ellenállás volt ekvivalens nagyságú. A legtöbb elektrokardiogram nyeresége körülbelül 1000 -szerese a bemeneti jelnek [1]. A műszeres erősítő erősítésének egyenlete a következő: Gain = 1 + (2 * R1/R2) * (R7/R6). Az egyszerűség kedvéért minden ellenállást 1000 ohmnak feltételeztek, kivéve az R2 -t, amelyet 2 ohmnak határoztak meg. Ezek az értékek 1001 -szer nagyobb nyereséget adnak, mint a bemeneti feszültség. Ez az erősítés elegendő a megszerzett jelek felerősítéséhez további elemzéshez. Azonban az egyenletet használva a nyereség bármi lehet, amit az áramkörük kialakításához kívánunk.

2. lépés: A sávszűrő tervezése

A sávszűrő egy felüláteresztő szűrő és egy aluláteresztő szűrő, amelyek általában egy op-erősítővel együttműködve működnek, és így biztosítják az úgynevezett átviteli sávot. A belépési sáv olyan frekvenciatartomány, amely áthaladhat, míg az összes többi, felül és lent, elutasításra kerül. Az ipari szabványok előírják, hogy egy szabványos elektrokardiogramnak 0,5 Hz és 150 Hz közötti sávval kell rendelkeznie [2]. Ez a nagy átviteli sáv biztosítja, hogy a szívből érkező összes elektromos jelet rögzítsék, és egyik sem szűrődjön ki. Hasonlóképpen, ez a sáv elutasít minden olyan DC -eltolást, amely zavarhatja a jelet. Ennek megtervezéséhez speciális ellenállásokat és kondenzátorokat kell úgy választani, hogy a felüláteresztési frekvencia 0,5 Hz, az aluláteresztő 150 Hz legyen. Mind a felső, mind az aluláteresztő szűrő határfrekvencia -egyenlete a következő: Fc = 1/(2*pi*RC). Számításaimhoz tetszőleges ellenállást választottam, majd a 4. egyenlet segítségével kiszámítottam egy kondenzátor értékét. Ezért a felüláteresztő szűrő ellenállási értéke 100 000 ohm, a kondenzátor értéke pedig 3,1831 mikrofarad. Hasonlóképpen, az aluláteresztő szűrő ellenállási értéke 100 000 ohm, a kondenzátor értéke pedig 10,61 nano-farad. A sávszűrő diagramja a beállított értékekkel látható.

3. lépés: Vágószűrő kialakítása

A bemetszéses szűrő lényegében a sávszűrő ellentéte. Ahelyett, hogy a magas és az alacsony passz után, az egy alacsony és egy magas, majd lényegében megszüntethető egy kis zajsáv. Az elektrokardiogram bevágásos szűrőjéhez Twin-T bemetszéses szűrőt használtak. Ez a kialakítás lehetővé teszi a középfrekvencia szűrését, és nagy minőségi tényezőt biztosít. Ebben az esetben a megszabadulni kívánt középfrekvencia 60 Hz volt. A 4. egyenlet segítségével az ellenállás értékeit 0,1 mikrofarados kondenzátor értékkel számítottuk ki. A 60 Hz -es leállási sáv számított ellenállási értéke 26, 525 ohm volt. Ekkor R5 -öt úgy számolták ki, hogy ½ R3 és R4. A C3 -at szintén a C1 és C2 -re választott érték kétszereseként számították ki [3]. R1 és R2 esetén tetszőleges ellenállásokat választottak.

4. lépés: Kombinált áramkör

Hálók használatával ezeket az alkatrészeket sorba helyezték, és az elkészült áramkör képét ábrázolják. A Springer Science által közzétett tanulmány szerint az EKG áramkör elfogadható erősítésének körülbelül 70 dB -nek kell lennie, amikor a teljes áramkört felállítják [4].

5. lépés: A teljes áramkör tesztelése

Amikor az összes alkatrészt sorozatba helyezték, szükség volt a terv validálására. Ennek az áramkörnek a tesztelése során mind tranziens, mind váltakozó áramú söprést végeztünk annak megállapítására, hogy az összes komponens egyidejűleg működik -e. Ebben az esetben az átmeneti kimeneti feszültség még mindig körülbelül 1000 -szerese lenne a bemeneti feszültségnek. Hasonlóképpen, amikor a váltakozó áramú söprést hajtották végre, egy sávszűrős bode-ábrát várunk 60 Hz-es bevágással. A képen látható képekkel ez az áramkör mind a két célt sikeresen teljesítette. Egy másik teszt a horonyszűrő hatékonyságának megállapítása volt. Ennek tesztelésére egy 60 Hz -es jelet vezettek át az áramkörön. Amint a képen is látható, ennek a kimenetnek a nagysága csak körülbelül ötször nagyobb volt, mint a bemenet, szemben az 1000 -szeres értékkel, amikor a frekvencia a sávban van.

6. lépés: Erőforrások:

[1] „EKG Measurement System”, Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (hozzáférés december 1., 2020).

[2] L. G. Terescsenko és M. E. Josephson, „A kamrai kondukció gyakorisági tartalma és jellemzői”, Journal of electrocardiology, vol. 48, nem. 6, 933–937, 2015, doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] „A sávszűrő szűrőket Reject Filters-nek hívják”, Basic Electronics Tutorials, 2018. május 22.

[4] N. Guler és U. Fidan, „Wireless Transmission of EKG signal,” Springer Science, vol. 30., 2005. ápr., Doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.