Põhilise elektrokardiogrammi hankimine, võimendamine ja filtreerimine: 6 sammu

2025 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2025-01-23 14:40

Selle juhendi täitmiseks on vaja ainult arvutit, Interneti -ühendust ja mõnda simulatsioonitarkvara. Selle disaini jaoks töötatakse kõik ahelad ja simulatsioonid LTspice XVII -l. See simulatsioonitarkvara sisaldab üle 1000 komponendi raamatukogusid, mis muudab vooluahelate loomise väga lihtsaks. Kuna neid vooluahelaid üldistatakse, kasutatakse „UniversalOpAmp2” iga juhtumi puhul, kus on vaja op-võimendit. Lisaks oli iga op -võimendi toiteallikaks +15V ja -15V. Need toiteallikad mitte ainult ei toida op-võimendit, vaid ka lõikavad väljundpinget, kui see peaks jõudma kumbagi kahest äärmusest.

1. samm: mõõteriistade võimendi disain

Pärast signaali omandamist tuleb seda arvutuste tegemiseks ja filtreerimiseks võimendada. Elektrokardiogrammide puhul on kõige levinum võimendusmeetod instrumendivõimendi. Nagu eespool mainitud, on mõõteriistade võimendil võimendusahelate osas palju eeliseid, millest suurim on sisendpingete suur takistus. Selle vooluahela ehitamiseks kasutati 3 op-amprit koos seitsme takistiga, millest kuus takistit olid suurusjärgus ekvivalentsed. Enamiku elektrokardiogrammide võimendus on umbes 1000 korda sisendsignaal [1]. Instrumentvõimendi võimenduse võrrand on järgmine: Gain = 1 + (2 * R1/R2) * (R7/R6). Lihtsuse huvides eeldati, et iga takisti on 1000 oomi, välja arvatud R2, mis määrati 2 oomi. Need väärtused annavad võimenduse 1001 korda suuremaks kui sisendpinge. Sellest võimendusest piisab omandatud signaalide võimendamiseks edasiseks analüüsiks. Võrrandit kasutades võib võimendus olla aga see, mida vooluahela kujundamisel soovitakse.

2. etapp: ribalaiuse filtri kujundamine

Ribapääsfilter on kõrgpääsfilter ja madalpääsfilter, mis töötavad tavaliselt koos võimendiga, pakkudes nn pääsuriba. Pääsuriba on sageduste vahemik, mis võib läbida, samal ajal kui kõik teised, üleval ja all, lükatakse tagasi. Tööstuse standardid väidavad, et standardse elektrokardiogrammi läbipääsuriba peab olema vahemikus 0,5 Hz kuni 150 Hz [2]. See suur pääsuriba tagab, et kogu südamest saadav elektriline signaal salvestatakse ja ükski neist ei filtreerita. Samuti lükkab see pääsuriba tagasi kõik alalisvoolu nihked, mis võivad signaali häirida. Selle projekteerimisel tuleb valida spetsiifilised takistid ja kondensaatorid nii, et üleminekupiirde sagedus oleks 0,5 Hz ja madalpääsu piirväärtus 150 Hz. Nii ülem- kui ka madalpääsfiltri väljalülitamissageduse võrrand on järgmine: Fc = 1/(2*pi*RC). Minu arvutuste jaoks valiti suvaline takisti, seejärel arvutati võrrandit 4 kasutades kondensaatori väärtus. Seetõttu on kõrgpääsfiltri takisti väärtus 100 000 oomi ja kondensaatori väärtus 3,1831 mikrofarad. Samuti on madalpääsfiltri takisti väärtus 100 000 oomi ja kondensaatori väärtus 10,61 nanofaradi. Kuvatud on ribalaiuse filtri diagramm koos reguleeritud väärtustega.

3. samm: sälkfiltri kujundus

Sälkfilter on sisuliselt ribalaiuse filtri vastand. Selle asemel, et järgida kõrget möödasõitu, millele järgneb madal läbipääs, on see madalpääs, millele järgneb kõrge, seega saab sisuliselt kõrvaldada ühe väikese mürariba. Elektrokardiogrammi sälgufiltri jaoks kasutati Twin-T sälkfiltrit. See disain võimaldab filtreerida kesksagedust ja tagab suure kvaliteediteguri. Sel juhul oli vabanemiseks vajalik kesksagedus 60 Hz. Võrrandi 4 abil arvutati takisti väärtused, kasutades antud kondensaatori väärtust 0,1 mikrofarad. Arvutatud takisti väärtused 60 Hz stoppriba jaoks olid 26, 525 oomi. Seejärel arvutati, et R5 on ½ R3 ja R4. C3 arvutati ka kahekordseks väärtuseks, mis oli valitud C1 ja C2 jaoks [3]. R1 ja R2 jaoks valiti suvalised takistid.

4. samm: kombineeritud ahel

Võrke kasutades paigutati need komponendid järjestikku kokku ja on kujutatud valminud vooluringi pilti. Springer Science'i avaldatud dokumendi kohaselt peaks EKG vooluahela vastuvõetav võimendus kogu vooluringi seadistamisel olema umbes 70 dB [4].

Samm: kogu vooluahela testimine

Kui kõik komponendid paigutati järjestikku, oli vaja disaini valideerimist. Selle vooluahela testimisel viidi läbi nii mööduv kui ka vahelduvvoolu pühkimine, et teha kindlaks, kas kõik komponendid töötavad üheaegselt. Kui see nii oleks, oleks mööduv väljundpinge ikkagi umbes 1000x sisendpinge. Samamoodi oleks vahelduvvoolu pühkimise korral oodata ribalaiuse filtri bode graafikut, mille sälk on sagedusel 60 Hz. Pildil olevaid pilte vaadates suutis see vooluring mõlemad eesmärgid edukalt täita. Teine test oli näha sälkfiltri efektiivsust. Selle testimiseks lasti vooluahelast läbi 60 Hz signaal. Nagu pildil, oli selle väljundi suurus ainult umbes 5 korda suurem kui sisend, võrreldes 1000 -kordse sagedusega, kui sagedus on pääsuriba sees.

6. samm: ressursid:

[1] “EKG mõõtmissüsteem”, Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (vaadatud 01. detsembril, 2020).

[2] L. G. Tereštšenko ja M. E. Josephson, „Ventrikulaarse juhtivuse sagedus ja omadused,” Journal of electrocardiology, kd. 48, ei. 6, lk 933–937, 2015, doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] „Band Stop Filters nimetatakse Reject Filters“, Elektroonika põhiõpetused, 22. mai 2018.

[4] N. Guler ja U. Fidan, „EKG signaali juhtmevaba edastamine”, Springer Science, kd. 30. aprill 2005, doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.