Automatizált EKG: Erősítés és szűrőszimulációk az LTspice használatával: 5 lépés

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

Ez a kép a végső eszközről, amelyet építeni fog, és egy nagyon mélyreható vita az egyes részekről. Ismerteti az egyes szakaszok számításait.

A kép az eszköz tömbvázlatát mutatja

Módszerek és anyagok:

Ennek a projektnek az volt a célja, hogy kifejlesszenek egy jelgyűjtő eszközt egy adott biológiai jel jellemzésére/a jelre vonatkozó adatok gyűjtésére. Pontosabban, egy automatizált EKG. A 3. ábrán látható tömbvázlat kiemeli az eszköz javasolt vázlatát. Az eszköz a biológiai jelet elektródán keresztül fogadná, majd 1000 erősítésű erősítővel erősítené. Erre az erősítésre azért van szükség, mivel a biológiai jel körülbelül 5 mV -nál kisebb lesz, ami nagyon kicsi, és nehezen értelmezhető [5]. Ezt követően a zaj csökkenthető egy sávszűrővel, hogy megkapja a jel kívánt frekvenciatartományát (0,5-150 Hz), majd egy bevágás következik, hogy megszüntesse az 50-60 Hz körüli elektromos vezetékek által okozott normál környezeti zajt [11]. Végül a jelet ezután digitálisra kell alakítani, hogy számítógép segítségével értelmezhető legyen, és ez analóg -digitális átalakítóval történik. Ebben a tanulmányban azonban elsősorban az erősítőre, a sávszűrőre és a bevágásszűrőre kell összpontosítani.

Az erősítőt, a sávszűrőt és a bevágásos szűrőt az LTSpice segítségével tervezték és szimulálták. Az egyes szakaszokat először külön fejlesztették ki és tesztelték annak érdekében, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy megfelelően működnek, majd egy végső vázlatban összefűzték. Az erősítőt, amely a 4. ábrán látható, egy műszeres erősítőre tervezték és alapították. A műszeres erősítőt általában EKG-kban, hőmérséklet-monitorokban és még földrengés-érzékelőkben is használják, mivel nagyon alacsony jelszintet képes felerősíteni, miközben elutasítja a túlzott zajt. Ezenkívül nagyon könnyű módosítani annak érdekében, hogy igazodjon a szükséges nyereséghez [6]. Az áramkör kívánt erősítése 1000, és ezt választottuk, mivel az elektróda bemenete 5 mV -nál kisebb váltakozó áramú jel lesz [5], és erősíteni kell az adatok könnyebb értelmezése érdekében. Az 1000 nyereség eléréséhez az (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3) egyenletet használtuk, így a GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω)/101,01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. Annak érdekében, hogy meggyőződjünk a megfelelő mértékű erősítésről, átmeneti tesztet végeztünk az LTspice segítségével.

A második szakasz egy sávszűrő volt. Ez a szűrő látható az 5. ábrán, és egy aluláteresztő, majd egy felüláteresztő szűrőből áll, amelyek között műveleti erősítő található, hogy megakadályozzák a szűrők egymás kioltását. Ennek a szakasznak az a célja, hogy olyan frekvenciatartományt állítson elő, amely elfogadható az eszközön való áthaladáshoz. Ennek az eszköznek a kívánt tartománya 0,5 - 150 Hz, mivel ez az EKG standard tartománya [6]. Ennek a céltartománynak az eléréséhez a (2) egyenlet határfrekvenciáját = 1/(2πRC) használtuk annak érdekében, hogy meghatározzuk a sávszelvényen belüli felül- és aluláteresztő szűrő határfrekvenciáját. Mivel a tartomány alsó végének 0,5 Hz -nek kellett lennie, a felüláteresztő szűrő ellenállása és kondenzátora értéke 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83 µF), és a felső végének 150 Hz -nek kell lennie az áteresztő szűrő ellenállás és a kondenzátor értékeit 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1,061µF) értékre számítottuk. Annak érdekében, hogy megerősítsük, hogy a megfelelő frekvenciatartományt elértük, egy AC sweep -et futtattunk az LTspice segítségével.

A harmadik és egyben utolsó szimulált szakasz a bemetszéses szűrő, amely a 6. ábrán látható. A bemetszéses szűrő eszközként szolgál a nem kívánt zaj kiküszöbölésére, amely a sáváteresztés által létrehozott kívánt frekvenciatartomány közepén jelentkezik. A célfrekvencia ebben az esetben 60 Hz, mivel ez az Egyesült Államokban a szabványos hálózati vezeték frekvenciája, és interferenciát okoz, ha nem foglalkoznak vele [7]. Az interferencia kezelésére kiválasztott bemetszéses szűrő egy iker t bemetszésű szűrő volt, két oper erősítővel és egy feszültségosztóval. Ez lehetővé teszi, hogy a jel ne csak közvetlenül a célfrekvencián szűrje ki a jelet, hanem változó visszacsatolást is bevezet a rendszerbe, beállítható Q minőségi tényezőt és változó kimenetet a feszültségosztónak köszönhetően, ezért aktív szűrővé tette passzív [8]. Ezek az extra tényezők azonban többnyire érintetlenek maradtak a kezdeti tesztek során, de a későbbi munkák során és a projekt javításának módjaira még kitérünk. Az elutasítási frekvencia középpontjának meghatározásához a (3) egyenlet középpontjában az elutasítási frekvencia = 1/(2π)*√ (1/(C2*C3*R5*(R3+R4)))) = 1/(2π)* √ (1/[(0,1*10^-6µF)*(0,1*10^-6µF) (15000Ω)*(26525Ω +26525Ω)]) = 56,420 Hz-et használtunk. Annak érdekében, hogy meggyőződjünk arról, hogy elértük a megfelelő elutasítási gyakoriságot, egy AC sweep -et futtattunk az LTspice segítségével.

Végül, miután minden lépést külön teszteltünk, a három lépést egyesítettük, amint az a 7. ábrán látható. Azt is meg kell jegyezni, hogy az összes erősítőt +15 V és -15 V egyenáramú tápegységgel látták el a jelentős erősítés érdekében szükség esetén bekövetkezzen. Ezután mind az átmeneti tesztet, mind a váltakozó áramú söprést elvégezték a befejezett áramkörön.

Eredmények:

Az egyes szakaszok grafikonjai közvetlenül a megfelelő szakasz alatt találhatók a függelék ábra részében. Az első szakaszban, a műszeres erősítőben, egy átmeneti tesztet futtattunk az áramkörön annak érdekében, hogy megbizonyosodjunk arról, hogy az erősítő nyeresége 1000 -es volt. A tápfeszültség váltóáramú szinuszhullám volt, 0,005 V amplitúdóval és 50 Hz frekvenciával. A tervezett nyereség 1000 volt, és amint a 4. ábrán látható, a Vout (zöld görbe) amplitúdója 5V volt. A szimulált erősítést úgy számították ki, hogy nyereség = Vout/Vin = 5V/0,005V = 1000. Ezért a százalékos hiba ebben a szakaszban 0%. Ebben a szakaszban 0,005 V bemenetet választottak, mivel ez szorosan kapcsolódik az elektródától kapott bemenethez, amint azt a módszerek szakaszban említettük.

A második szakasz, a sávszűrő céltartománya 0,5-150 Hz volt. A szűrő tesztelése és a tartomány egyezésének biztosítása érdekében egy évtizede az AC sweep -et évtizedenként 100 ponttal végezték 0,01 - 1000 Hz között. Az 5. ábra az AC sweep eredményét mutatja, és megerősíti, hogy 0,5-150 Hz frekvenciatartományt értek el, mert a maximális mínusz 3 dB adja a határfrekvenciát. Ezt a módszert a grafikon szemlélteti.

A harmadik fokozatot, a bevágásos szűrőt úgy tervezték, hogy kiküszöbölje a 60 Hz körüli zajt. Az elutasítási frekvencia számított középpontja ~ 56 Hz volt. Ennek megerősítése érdekében egy évtizede az AC sweep -et évtizedenként 100 ponttal hajtották végre 0,01 - 1000 Hz között. A 6. ábra a váltakozó áramú seprés eredményeit mutatja, és a ~ 56-59 Hz elutasítási frekvencia középpontját szemlélteti. A hiba százalékos aránya ebben a szakaszban 4,16 %.

Miután meggyőződtünk arról, hogy minden egyes szakasz működik, a három lépést a 7. ábrán látható módon összeállítottuk. Ezután egy átmeneti tesztet hajtottunk végre az áramkör erősítésének ellenőrzésére, és a teszt 1-1,25 másodperc között futott, maximális időtartam 0,05 0,005 V amplitúdójú és 50 Hz -es váltóáramú szinuszhullám tápfeszültsége. A kapott grafikon a 7. ábra első grafikonja, amely a Vout3 -at (piros) mutatja, a teljes áramkör kimenete 3,865 V, és ezért a nyereség = 3,865V/0,005V = 773. Ez jelentősen eltér az 1000 -es tervezett nyereségtől és 22,7%hibát ad. Az átmeneti teszt után, egy évtizede, az AC sweep -et évtizedenként 100 ponttal futtattuk 0,01–1000 Hz között, és elkészítettük a 7. ábra második grafikonját. Ez a grafikon kiemeli a tervezett eredményeket, és bemutatja a szűrőket, amelyek együtt dolgoznak egy olyan szűrő előállítására, amely 0,5-150 Hz frekvenciákat fogad el, az elutasítási középpont 57,5-58,8 Hz között.

Egyenletek:

(1) - műszeres erősítő erősítése [6], ellenállások a 4. ábrán láthatókkal szemben.

(2) - határfrekvencia alul/felüláteresztő szűrőhöz

(3) - kettős t bevágású szűrőnél [8], ellenállások a 6. ábrán láthatókhoz képest.

Lépés: Műszeres erősítő

1. szakasz: a műszeres erősítő

egyenlet - GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3)

2. lépés: Bandpass

2. szakasz: sávszűrő

egyenlet: határfrekvencia = 1/2πRC

3. lépés: 3. szakasz: bevágásszűrő

3. szakasz: Twin T Notch szűrő

egyenlet - középső elutasítási frekvencia = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

4. lépés: Az összes szakasz végleges vázlata együtt

Végső vázlat váltóáramú és átmeneti görbékkel

5. lépés: Az eszköz megbeszélése

Vita:

A fent elvégzett tesztek eredménye a várakozásoknak megfelelően alakult az egész körre nézve. Bár az erősítés nem volt tökéletes, és a jel kissé romlott, minél tovább haladt az áramkörön (ez látható a 7. ábrán, az 1. grafikonon, ahol a jel az első szakasz után 0,005 V -ról 5 V -ra nőtt, majd a második után 4 V -ra csökkent) majd a 3.865V az utolsó szakasz után), a sávszűrő és a bevágásszűrő rendeltetésszerűen működött, és 0,5–150 Hz frekvenciatartományt produkált, körülbelül 57,5–58,8 Hz frekvencia eltávolítással.

Az áramkör paramétereinek meghatározása után összehasonlítottam két másik EKG -val. Közvetlenebb összehasonlítás a számokkal az 1. táblázatban található. Három fontos megállapítás volt, amikor adataimat más irodalmi forrásokhoz hasonlítottam. Az első az volt, hogy az áramkörömben lévő erősítés jelentősen alacsonyabb volt, mint a másik kettő, amelyeket én is összehasonlítottam. Az irodalmi források mindkét áramköre 1000 -es erősítést ért el, és Gawali EKG -jében [9] a jelet még tovább erősítették 147 -es tényezővel a szűrőfázisban. Ezért, bár az áramkörömben lévő jelet 773 erősítette (22,7% -os hiba a szabványos erősítéshez képest), és elégségesnek ítélték ahhoz, hogy képes legyen értelmezni az elektróda bemeneti jelét [6], ez mégis eltörpült a standard erősítéshez képest 1000. Ha szabványos erősítést kell elérni az áramkörömben, akkor a műszeres erősítőben az erősítést 1000 -nél nagyobb tényezőre kell növelni, hogy amikor az erősítés lecsökken, miután áthaladtam az áramkör minden szűrőfokozatán, még mindig legalább 1000 erősítés van, vagy a szűrőket be kell állítani annak érdekében, hogy megakadályozzák a magasabb feszültségcsökkenések előfordulását.

A második fontos kivonat az volt, hogy mindhárom áramkör nagyon hasonló frekvenciatartományokkal rendelkezett. Gawali [9] tartománya pontosan 0,5-150 Hz, míg Goa [10] valamivel szélesebb, 0,05-159 Hz volt. A Goa áramkörében volt ez az enyhe eltérés, mert ez a tartomány jobban megfelelt a beállítás során használt adatgyűjtő kártyának.

Az utolsó jelentős elvont pont az volt, hogy az egyes áramkörökben lévő bemetszéses szűrők által elért elutasítási frekvenciák középpontjában különbségek voltak. Gao és az én áramköröm egyaránt 60 Hz -es célt tűzött ki annak érdekében, hogy elnyomja a hálózati frekvenciazaj okozta elektromos vezetékeket, míg a Gawali 50 Hz -re volt beállítva. Ez az eltérés azonban rendben van, mivel a világ helyétől függően az elektromos vezeték frekvenciája 50 vagy 60 Hz lehet. Ezért közvetlen összehasonlítást végeztek csak a Goa áramkörével, mivel az Egyesült Államokban a hálózati vezeték interferenciája 60 Hz [11]. A százalékos hiba 3,08%.