Način dobivanja, pojačanja i filtriranja sklopa osnovnog elektrokardiograma: 6 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:32

Kako bi dovršili ovu instrukciju, jedino što je potrebno su računalo, pristup internetu i neki softver za simulaciju. Za potrebe ovog dizajna, svi krugovi i simulacije izvodit će se na LTspice XVII. Ovaj simulacijski softver sadrži biblioteke s preko 1000 komponenti što čini stvaranje krugova vrlo lakim. Budući da će ti krugovi biti generalizirani, “UniversalOpAmp2” će se koristiti za svaku instancu gdje je potrebno op-pojačalo. Osim toga, svako op -pojačalo napajalo se napajanjem +15V i -15V. Ovi izvori napajanja ne samo da napajaju op-amp, već i isječu izlazni napon ako bi dosegao bilo koji od ta dva ekstrema.

Korak 1: Dizajn instrumentalnog pojačala

Nakon što je signal prikupljen, potrebno ga je pojačati za obavljanje proračuna i filtriranje po njemu. Za elektrokardiograme najčešća metoda pojačanja je instrumentacijsko pojačalo. Kao što je već spomenuto, instrumentacijsko pojačalo ima mnoge prednosti kada su u pitanju pojačavački krugovi, a najveća je visoka impedancija između ulaznih napona. Za konstrukciju ovog kruga korištena su 3 op-pojačala zajedno sa sedam otpornika, pri čemu je šest otpornika ekvivalentno po veličini. Dobit većine elektrokardiograma je oko 1000x ulazni signal [1]. Jednadžba za pojačanje instrumentalnog pojačala je sljedeća: Dobitak = 1 + (2 * R1/R2) * (R7/R6). Radi jednostavnosti, za svaki otpornik se pretpostavljalo da je 1000 ohma, osim za R2, za koji je utvrđeno da je 2 ohma. Ove vrijednosti daju dobitak 1001 puta veći od ulaznog napona. Taj dobitak dovoljan je za pojačavanje stečenih signala za daljnju analizu. Međutim, koristeći jednadžbu, dobitak može biti što god želite za njihov dizajn kola.

Korak 2: Dizajn filtra za propusni opseg

Bandpass filter je visokopropusni filtar i niskopropusni filter koji radi u koordinaciji obično s op-pojačalom kako bi osigurao ono što je poznato kao propusno područje. Propusni opseg je raspon frekvencija koje mogu proći, dok se sve ostale, iznad i ispod, odbijaju. Industrijski standardi navode da standardni elektrokardiogram mora imati propusni opseg od 0,5 Hz do 150 Hz [2]. Ova velika propusna širina osigurava snimanje svih električnih signala iz srca i ništa od njih se ne filtrira. Isto tako, ovaj propusni pojas odbacuje bilo koji istosmjerni pomak koji bi mogao ometati signal. Da bi se to oblikovalo, moraju se odabrati posebni otpornici i kondenzatori tako da visokofrekventna granična frekvencija bude na 0,5 Hz, a niskopropusna granična frekvencija na 150 Hz. Jednadžba granične frekvencije i za visokopropusni i za niskopropusni filtar je sljedeća: Fc = 1/(2*pi*RC). Za moje izračune izabran je proizvoljan otpornik, a zatim je pomoću jednadžbe 4 izračunata vrijednost kondenzatora. Stoga će visokopropusni filter imati otpornik od 100 000 ohma i vrijednost kondenzatora od 3,1831 mikrofarada. Slično, niskopropusni filter imat će vrijednost otpornika 100 000 ohma i vrijednost kondenzatora od 10,61 nanofarada. Prikazan je dijagram filtra pojasa s podešenim vrijednostima.

Korak 3: Dizajn urezanog filtera

Urezani filter u biti je suprotan od propusnog filtra. Umjesto visokog i niskog prolaza, to je niski prolaz nakon kojeg slijedi visoki prolaz, pa se u biti može eliminirati jedan mali pojas buke. Za urezni filter na elektrokardiogramu korišten je Twin-T urezani filter. Ovaj dizajn omogućuje filtriranje središnje frekvencije i pruža veliki faktor kvalitete. U tom slučaju središnja frekvencija koje se trebate riješiti bila je 60 Hz. Koristeći jednadžbu 4, vrijednosti otpornika su izračunate korištenjem zadane vrijednosti kondenzatora od 0,1 mikrofarad. Izračunate vrijednosti otpornika za zaustavni pojas od 60 Hz bile su 26, 525 ohma. Tada se izračunalo da je R5 ½ od R3 i R4. C3 je također izračunat kao dvostruka vrijednost odabrana za C1 i C2 [3]. Za R1 i R2 odabrani su proizvoljni otpornici.

Korak 4: Kombinirani krug

Pomoću mreža te su komponente bile postavljene zajedno u nizu i prikazana je slika dovršenog kruga. Prema članku koji je objavila tvrtka Springer Science, prihvatljiv dobitak EKG kruga trebao bi biti oko 70 dB kada je postavljen cijeli krug [4].

Korak 5: Testiranje cijelog kruga

Kad su sve komponente stavljene u niz, bila je potrebna potvrda dizajna. Testiranjem ovog kruga provedeno je i prijelazno i izmjenično napajanje kako bi se utvrdilo rade li sve komponente skladno. Da je to slučaj, prolazni izlazni napon bi i dalje bio oko 1000x ulazni napon. Slično, kada bi se provelo izmjenjivanje izmjeničnog napona, očekivalo bi se grafičko prikazivanje pojasa propusnog pojasa filtra s zarezom na 60 Hz. Gledajući slike na slici, ovaj je krug uspio uspješno ostvariti oba cilja. Drugi je test bio provjeriti učinkovitost usjeknog filtra. Kako bi se to provjerilo, kroz krug je prošao signal od 60 Hz. Kao što je prikazano na slici, veličina ovog izlaza bila je samo oko 5x veća od ulaza, u usporedbi s 1000x kada je frekvencija unutar propusnog opsega.

Korak 6: Resursi:

[1] "Sustav mjerenja EKG -a", Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (pristupljeno 01. prosinca, 2020).

[2] L. G. Tereshchenko i M. E. Josephson, "Frequency Content and Characteristics of Ventricular Conduction", Journal of electrocardiology, vol. 48, ne. 6, str. 933–937, 2015, doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] "Filteri za zaustavljanje pojasa zovu se filtri za odbacivanje", Osnovni vodiči za elektroniku, 22. svibnja 2018.

[4] N. Guler i U. Fidan, „Bežični prijenos EKG signala“, Springer Science, sv. 30. travnja 2005., doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.