Automatiseeritud EKG: võimendus- ja filtrisimulatsioonid LTspice abil: 5 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:45

See on pilt lõplikust seadmest, mille ehitate, ja väga põhjalik arutelu iga osa kohta. Samuti kirjeldab iga etapi arvutusi.

Pildil on selle seadme plokkskeem

Meetodid ja materjalid:

Selle projekti eesmärk oli välja töötada signaali hankimise seade konkreetse bioloogilise signaali iseloomustamiseks/signaali kohta asjakohaste andmete kogumiseks. Täpsemalt öeldes automatiseeritud EKG. Joonisel 3 näidatud plokkskeem tõstab esile seadme kavandatud skeemi. Seade võtaks bioloogilise signaali vastu elektroodi ja seejärel võimendaks seda võimendiga, mille võimendus on 1000. See võimendus on vajalik, kuna bioloogiline signaal on väiksem umbes 5 mV juures, mis on väga väike ja seda võib olla raske tõlgendada [5]. Hiljem vähendatakse müra ribalaiuse filtri abil, et saada signaalile soovitud sagedusvahemik 0,5–150 Hz, ja seejärel järgneks sälk, et eemaldada normaalne ümbritsev müra, mis on põhjustatud elektriliinidest umbes 50–60 Hz [11]. Lõpuks tuleb signaal muuta digitaalseks, et seda oleks võimalik arvuti abil tõlgendada ja seda tehakse analoog -digitaalmuunduriga. Selles uuringus keskendutakse siiski peamiselt võimendile, ribalaiuse filtrile ja sälgufiltrile.

Võimendi, ribalaiuse filter ja sälgufilter on kõik kavandatud ja simuleeritud LTSpice abil. Iga sektsioon töötati esmalt eraldi välja ja testiti, et veenduda nende nõuetekohases toimimises ja seejärel ühendada üheks lõplikuks skeemiks. Võimendi, mida on näha jooniselt 4, oli kavandatud ja põhinenud instrumentaalsel võimendil. Mõõteseadmete võimendit kasutatakse tavaliselt EKG-des, temperatuurimonitorides ja isegi maavärinaandurites, kuna see võib võimendada väga madalat signaali, lükates samal ajal tagasi liigse müra. Samuti on seda väga lihtne muuta, et kohandada vajalikku kasu [6]. Ahela soovitud võimendus on 1000 ja see valiti, kuna elektroodi sisendiks on vahelduvvoolu signaal alla 5 mV [5] ja seda tuleb andmete tõlgendamise hõlbustamiseks võimendada. Et saada võimendust 1000, kasutati võrrandit (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3), mille tulemuseks oli GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω)/101,01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. Õige võimenduse saavutamise kinnitamiseks viidi läbi ajutine test, kasutades LTspice'i.

Teine etapp oli ribalaiuse filter. Seda filtrit on näha joonisel 5 ja see koosneb madal- ja seejärel kõrgpääsfiltrist, mille vahel on operatsioonivõimendi, et vältida filtrite üksteise tühistamist. Selle etapi eesmärk on toota teatud sagedusvahemik, mis on seadme läbimiseks vastuvõetav. Selle seadme soovitud vahemik on 0,5–150 Hz, kuna see on EKG standardvahemik [6]. Selle sihtvahemiku saavutamiseks kasutati võrrandi (2) piirsagedust = 1/(2πRC), et määrata ribalaiuse piirsagedus nii kõrge- kui ka madalpääsfiltrile. Kuna vahemiku alumine ots pidi olema 0,5 Hz, arvutati kõrgpääsfiltri takisti ja kondensaatori väärtused 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83 µF) ja ülemine ots pidi olema 150 Hz läbipääsufiltri takisti ja kondensaatori väärtused olid 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1,061µF). Õige sagedusvahemiku saavutamise kinnitamiseks viidi LTspice abil läbi vahelduvpinge.

Kolmas ja viimane simuleeritud etapp on sälgufilter ja seda on näha joonisel 6. Sälkfilter toimib vahendina soovimatu müra kõrvaldamiseks, mis tekib ribalaiuse poolt soovitud sagedusvahemiku keskel. Sel juhul on sihtsagedus 60 Hz, kuna see on Ameerika Ühendriikide tavaline elektriliini sagedus ja põhjustab häireid, kui sellega ei tegeleta [7]. Selle häire kõrvaldamiseks valiti sälgufilter kahe t -sälguga filter, millel oli kaks võimendit ja pingejagur. See võimaldab signaalil mitte ainult signaali otse sihtsagedusel välja filtreerida, vaid ka tänu pingejagurile süsteemis muutuva tagasiside, reguleeritava kvaliteediteguri Q ja muutuva väljundi muuta ning seetõttu muutis selle aktiivseks filtriks passiivne [8]. Need lisategurid jäid esialgsetes katsetes enamasti puutumata, kuid neid puudutatakse tulevastes töödes ja seda, kuidas projekti hiljem parandada. Tagasilükkamissageduse keskpunkti määramiseks kasutatakse võrrandi (3) tagasilükkamissageduse = 1/(2π)*√ (1/(C2*C3*R5*(R3+R4))) = 1/(2π)* √ (1/[(0,1*10^-6 µF)*(0,1*10^-6 µF) (15000Ω)*(26525Ω +26525Ω)]) = 56,420 Hz. Selleks, et kinnitada õige tagasilükkamissageduse saavutamist, käivitati vahelduvvoolu pühkimine, kasutades LTspice'i.

Lõpuks, pärast iga etapi eraldi katsetamist ühendati kolm etappi, nagu on näidatud joonisel 7. Samuti tuleb märkida, et kõik võimendid olid varustatud +15 V ja -15 V alalisvoolu toiteallikaga, et võimaldada olulist võimendust tekkida vajadusel. Seejärel viidi lõpule viidud ahelal läbi nii mööduv test kui ka vahelduvvoolu pühkimine.

Tulemused:

Iga etapi graafikud leiate otse vastava etapi alt liite joonise jaotisest. Esimese etapi, instrumentaalvõimendi, puhul tehti vooluahelal ajutine test, et veenduda, et võimendi võimendus on 1000. Katse kestis 1–1,25 sekundit, maksimaalse ajaga 0,05. Toitepinge oli vahelduvvoolu siinuslaine amplituudiga 0,005 V ja sagedusega 50 Hz. Kavandatud võimendus oli 1000 ja nagu on näha joonisel 4, oli Vout (roheline kõver) amplituud 5 V. Simuleeritud võimendus arvutati järgmiselt: võimendus = Vout/Vin = 5V/0,005V = 1000. Seetõttu on selle etapi vea protsent 0%. Selle sektsiooni sisendiks valiti 0,005 V, kuna see on tihedalt seotud elektroodilt saadud sisendiga, nagu on kirjeldatud meetodite osas.

Teine etapp, ribalaiuse filter, oli sihtvahemik 0,5 - 150 Hz. Filtri testimiseks ja vahemiku sobivuse tagamiseks viidi kümne aasta jooksul vahelduvvoolu pühkimine 100 punktiga kümnendi kohta vahemikus 0,01–1000 Hz. Joonis 5 näitab vahelduvvoolu pühkimise tulemusi ja kinnitab, et saavutati sagedusvahemik 0,5 kuni 150 Hz, kuna maksimaalne miinus 3 dB annab katkestussageduse. Seda meetodit on näidatud graafikul.

Kolmas etapp, sälkfilter, oli mõeldud müra kõrvaldamiseks umbes 60 Hz juures. Arvutatud tagasilükkamissageduse keskpunkt oli ~ 56 Hz. Selle kinnitamiseks viidi kümme aastat vahelduvvoolu pühkimist 100 punktiga kümnendi kohta vahemikus 0,01–1000 Hz. Joonis 6 näitab vahelduvvoolu pühkimise tulemusi ja illustreerib tagasilükkamissageduse keskpunkti ~ 56–59 Hz. Selle jaotise vigade protsent oleks 4,16 %.

Pärast seda, kui oli kinnitatud, et iga etapp töötab, ühendati kolm etappi, nagu on näidatud joonisel 7. Seejärel tehti vooluahela võimenduse kontrollimiseks ajutine test ja test kestis 1–1,25 sekundit, maksimaalse ajaga 0,05. vahelduvvoolu siinuslaine, mille amplituud on 0,005 V ja sagedus 50 Hz. Saadud graafik on joonise 7 esimene graafik, mis näitab Vout3 (punane), kogu vooluahela väljund on 3,865 V ja seega võimendus = 3,865V/0,005V = 773. See erineb oluliselt kavandatud võimendusest 1000 ja annab vea 22,7%. Pärast mööduvat katset, kümnendit, tehti vahelduvvooluga pühkimine 100 punktiga kümnendi kohta vahemikus 0,01–1000 Hz ja toodeti teine graafik joonisel 7. See graafik toob esile kavandatud tulemused ja näitab filtreid, mis töötavad koos filtri tootmiseks. aktsepteerib sagedusi 0,5-150 Hz, tagasilükkamiskeskusega 57,5-58,8 Hz.

Võrrandid:

(1) - mõõteriistade võimendi võimendus [6], takistid võrreldes joonisel 4 leiduvatega.

(2) - madal-/kõrgepääsfiltri väljalülitamissagedus

(3) - kahekordse sälguga filtri [8] puhul takistid võrreldes joonisel 6 leiduvatega.

Samm: instrumentaalne võimendi

1. etapp: instrumentaalne võimendi

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

Samm 2: Bandpass

2. etapp: ribalaiuse filter

võrrand: katkestussagedus = 1/2πRC

3. etapp: 3. etapp: sälgufilter

3. etapp: Twin T Notch filter

võrrand - keskpunkti tagasilükkamissagedus = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

4. samm: kõigi etappide lõplik skeem koos

Lõplik skeem koos vahelduvvoolu ja mööduvate kõveratega

Samm: seadme arutelu

Arutelu:

Ülaltoodud testide tulemus läks kogu vooluringi jaoks ootuspäraselt. Kuigi võimendus ei olnud täiuslik ja signaal halvenes veidi, mida kaugemale see vooluahelat läbis (mida on näha joonisel 7, graafikul 1, kus signaal suurenes pärast esimest etappi 0,005 V -lt 5 V -ni ja vähenes pärast teist etappi 4 V -ni) ja seejärel 3,865V pärast viimast etappi), töötasid ribalaius ja sälkfilter ettenähtud viisil ning tekitasid sagedusvahemiku 0,5–150 Hz, eemaldades sageduse umbes 57,5–58,8 Hz.

Pärast ahela parameetrite määramist võrdlesin seda kahe teise EKG -ga. Otseseima võrdluse lihtsalt numbritega leiate tabelist 1. Minu andmete võrdlemisel teiste kirjandusallikatega oli kolm peamist järeldust. Esimene oli see, et minu vooluahela võimendus oli oluliselt väiksem kui ülejäänud kaks, mida ma võrdlesin. Mõlemad kirjandusallikate ahelad saavutasid võimenduse 1000 ja Gawali EKG -s [9] võimendati signaali veelgi filtreerimisetapis 147 korda. Seega, kuigi minu vooluahela signaali võimendati 773 võrra (22,7% viga standardvõimendusega võrreldes) ja seda peeti piisavaks elektroodi sisendsignaali tõlgendamiseks [6], on see siiski tavalise võimendusega võrreldes kääbus 1000. Kui minu vooluahelas peaks saavutama standardvõimenduse, tuleks instrumentaalvõimendi võimendust suurendada tegurini, mis on suurem kui 1000, nii et kui võimendust vähendatakse pärast minu vooluahela iga filtritaseme läbimist, sellel on endiselt vähemalt 1000 võimendust või tuleb filtreid reguleerida, et vältida kõrgemat pingelangust.

Teine suurem tagasivõtmine oli see, et kõigil kolmel vooluahelal olid väga sarnased sagedusvahemikud. Gawali [9] oli täpselt sama vahemik 0,5-150 Hz, samas kui Goa [10] oli veidi laiem vahemik 0,05-159 Hz. Goa vooluringis oli see väike lahknevus, kuna see vahemik sobis paremini nende seadistamisel kasutatud andmete hankimise kaardiga.

Viimane suurem võte oli erinevused tagasilükkamissageduste keskpunktis, mis saavutati igas vooluringis olevate sälgufiltritega. Nii Gao kui ka minu vooluahela sihtmärk oli 60 Hz, et summutada liinisageduse müra põhjustatud elektriliinid, samal ajal kui Gawali seadistus oli 50 Hz. See lahknevus on siiski hea, kuna sõltuvalt asukohast maailmas võib elektriliini sagedus olla 50 või 60 Hz. Seetõttu võrreldi otseselt Goa vooluahelat, kuna USA elektriliini häired on 60 Hz [11]. Vea protsent on 3,08%.