Automatski EKG: Pojačavanje i simulacije filtera pomoću LTspice: 5 koraka

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

Ovo je slika posljednjeg uređaja koji ćete izgraditi i vrlo detaljna rasprava o svakom dijelu. Također opisuje izračune za svaku fazu.

Slika prikazuje blok dijagram ovog uređaja

Metode i materijali:

Cilj ovog projekta bio je razviti uređaj za prikupljanje signala kako bi se okarakterizirao određeni biološki signal/prikupili relevantni podaci o signalu. Točnije, automatizirani EKG. Blok dijagram prikazan na slici 3 ističe predloženu shemu za uređaj. Uređaj bi primao biološki signal putem elektrode, a zatim bi ga pojačavao pomoću pojačala s pojačanjem od 1000. Ovo pojačanje je potrebno jer će biološki signal biti manji na oko 5 mV što je vrlo malo i teško ga je interpretirati [5]. Nakon toga, šum bi se smanjio korištenjem pojasni filtar kako bi se dobio željeni frekvencijski raspon signala, 0,5-150 Hz, a zatim bi uslijedio zarez kako bi se uklonila normalna okolna buka uzrokovana dalekovodima koji se nalaze oko 50-60 Hz [11]. Na kraju, signal je potrebno pretvoriti u digitalni kako bi se mogao interpretirati pomoću računala, a to se radi pomoću analogno -digitalnog pretvarača. U ovoj studiji, međutim, fokus će se prvenstveno staviti na pojačalo, pojasni filtar i usjek.

Pojačalo, propusni filtar i usjek filtra dizajnirani su i simulirani pomoću LTSpice. Svaki je odjeljak prvo razvijen zasebno i testiran kako bi se provjerilo da li rade ispravno, a zatim je spojen u jednu konačnu shemu. Pojačalo, koje se može vidjeti na slici 4, projektirano je i temeljeno na instrumentacijskom pojačalu. Instrumentalno pojačalo obično se koristi u EKG-ovima, monitorima temperature, pa čak i detektorima potresa jer može pojačati vrlo nisku razinu signala, odbijajući višak šuma. Također je vrlo lako izmijeniti kako bi se prilagodilo onom potrebnom pojačanju [6]. Željeni dobitak za krug je 1000 i to je odabrano budući da će ulaz s elektrode biti AC izmjenični signal manji od 5 mV [5] i potrebno ga je pojačati kako bi se podaci lakše interpretirali. Kako bi se dobio dobitak od 1000, korištena je jednadžba (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3) koja je stoga dala GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω)/101.01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. Kako bi se potvrdila točna količina pojačanja, provedeno je prijelazno ispitivanje pomoću LTspice.

Druga faza je bio pojasni filtar. Ovaj se filter može vidjeti na slici 5. i sastoji se od niskopropusnog, a zatim visokopropusnog filtra s operativnim pojačalom između kako bi se spriječilo međusobno poništavanje filtera. Svrha ove faze je proizvesti postavljeni raspon frekvencija koje će biti prihvatljive za prolaz kroz uređaj. Željeni raspon za ovaj uređaj je 0,5 - 150 Hz budući da je to standardni raspon za EKG [6]. Kako bi se postigao ovaj ciljani raspon, korištena je jednadžba (2) granična frekvencija = 1/(2πRC) kako bi se odredila granična frekvencija i za visokopropusni i za niskopropusni filter unutar pojasa. Budući da je donji kraj raspona trebao biti 0,5 Hz, vrijednosti otpornika visokopropusnog filtra i kondenzatora izračunate su na 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83 μF), a gornji kraj na 150 Hz, niski Vrijednosti otpornika i kondenzatora prolaznog filtra izračunate su na 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1.061µF). Kako bi se potvrdilo da je postignut ispravan raspon frekvencija, pomoću LTspice je provedeno izmjenjivanje izmjenične struje.

Treća i posljednja simulirana faza je usjekni filter i može se vidjeti na slici 6. Filter s usjecima služi kao sredstvo za uklanjanje neželjene buke koja se javlja usred željenog frekvencijskog područja koje stvara propusni opseg. Ciljna frekvencija u ovom slučaju je 60 Hz budući da je to standardna frekvencija dalekovoda u Sjedinjenim Državama i uzrokuje smetnje ako se s njima ne riješi [7]. Urezani filter odabran za podnošenje ovih smetnji bio je dvostruki filter s dva zareza s dva op pojačala i razdjelnikom napona. To će omogućiti da signal ne samo da filtrira signal izravno na ciljnoj frekvenciji, već će također unijeti promjenjivu povratnu spregu u sustav, podesivi faktor kvalitete Q i promjenjivi izlaz zahvaljujući razdjelniku napona, pa je stoga postao aktivni filter umjesto pasivno [8]. Ti su dodatni čimbenici ipak ostali netaknuti u početnim testovima, ali bit će dotaknuti u budućim radovima i kako kasnije poboljšati projekt. Kako bi se odredilo središte frekvencije odbijanja, jednadžba (3) središnja frekvencija odbijanja = 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. Kako bi se potvrdilo da je postignuta ispravna učestalost odbijanja, provedeno je čišćenje AC pomoću LTspice.

Konačno, nakon što je svaki stupanj testiran zasebno, tri stupnja su kombinirana, kao što je prikazano na slici 7. Također treba napomenuti da su sva op pojačala dobila napajanje od +15V i -15V DC kako bi se omogućilo znatno pojačanje da se dogodi kada je to potrebno. Zatim su obavljeni i prijelazni test i izmjenično napajanje na dovršenom krugu.

Rezultati:

Grafikoni za svaku fazu mogu se pronaći izravno ispod odgovarajuće faze u odjeljku Slika u dodatku. Za prvu fazu, instrumentacijsko pojačalo, u krugu je provedeno prijelazno ispitivanje kako bi se provjerilo je li dobitak za pojačalo 1000. Test je trajao od 1 - 1,25 sekundi s maksimalnim vremenskim korakom od 0,05. Napajani napon bio je izmjenični sinusni val amplitude 0,005 V i frekvencije 50 Hz. Predviđeni dobitak bio je 1000, a kao što se vidi na slici 4, budući da je Vout (zelena krivulja) imao amplitudu od 5 V. Izračunato je da je simulirani dobitak dobitak = Vout/Vin = 5V/0.005V = 1000. Stoga je postotak pogreške za ovu fazu 0%. 0,005 V odabrano je kao ulaz za ovaj odjeljak jer će se usko odnositi na ulaz primljen s elektrode kako je spomenuto u odjeljku o metodama.

Druga faza, pojasni filtar, imala je ciljani raspon od 0,5 - 150 Hz. Kako bi se testirao filtar i osiguralo da se raspon podudara, desetljeće je izmjereno izmjenično napajanje sa 100 bodova po desetljeću od 0,01 - 1000 Hz. Slika 5 prikazuje rezultate izmjere izmjenične struje i potvrđuje da je postignut frekvencijski raspon od 0,5 do 150 Hz jer maksimalni minus 3 dB daje graničnu frekvenciju. Ova metoda je ilustrirana na grafikonu.

Treći stupanj, urezani filter, dizajniran je za uklanjanje buke pronađene oko 60 Hz. Izračunato središte frekvencije odbijanja bilo je ~ 56 Hz. Kako bi se to potvrdilo, desetljeće je AC AC sweep vodio sa 100 bodova po desetljeću od 0,01 - 1000 Hz. Slika 6 prikazuje rezultate izmjenične struje i prikazuje središte odbijanja frekvencije ~ 56-59 Hz. Postotak pogreške za ovaj odjeljak iznosio bi 4,16 %.

Nakon što je potvrđeno da svaka pojedina faza radi, tri faze su zatim sastavljene kao što je prikazano na slici 7. Zatim je provedeno prijelazno ispitivanje radi provjere pojačanja kruga i test je trajao od 1 - 1,25 sekundi s maksimalnim vremenskim korakom od 0,05 sa napajani napon izmjeničnog sinusnog vala amplitude 0,005 V i frekvencije 50 Hz. Rezultirajući grafikon je prvi grafikon na slici 7 koji prikazuje Vout3 (crveno), izlaz cijelog kruga od 3,865 V i stoga čini dobitak = 3,865V/0,005V = 773. To se značajno razlikuje od predviđenog pojačanja od 1000 i daje pogrešku od 22,7%. Nakon prijelaznog testa, desetljeća, izmjenjivanje izmjeničnog napona izvodilo se sa 100 bodova po desetljeću od 0,01 - 1000 Hz i proizvelo je drugi grafikon na slici 7. Ovaj grafikon ističe namjeravane rezultate i prikazuje filtere koji rade zajedno kako bi proizveli filtar koji prihvaća frekvencije od 0,5-150 Hz s centrom odbijanja od 57,5-58,8 Hz.

Jednadžbe:

(1) - dobitak instrumentalnog pojačala [6], otpornici u odnosu na one koji se nalaze na slici 4.

(2) - granična frekvencija za nisko/visokopropusni filtar

(3) - za dvostruki t -zupčasti filter [8], otpornici u odnosu na one koji se nalaze na slici 6.

Korak 1: Instrumentacijsko pojačalo

Faza 1: instrumentacijsko pojačalo

jednadžba - DOBITAK = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3)

Korak 2: Propusni opseg

faza 2: pojasni filter

jednadžba: granična frekvencija = 1/2πRC

Korak 3: Faza 3: Notch filter

faza 3: Twin T Notch filter

jednadžba - središnja frekvencija odbijanja = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Korak 4: Završna shema svih faza zajedno

Konačna shema s izmjenjivanjem izmjenične struje i prijelaznim krivuljama

Korak 5: Rasprava o uređaju

Rasprava:

Rezultati gore provedenih testova bili su očekivani za krug u cjelini. Iako pojačanje nije bilo savršeno i signal se blago degradirao što je dalje prolazio kroz krug (što se može vidjeti na slici 7, grafikon 1 gdje se signal povećao s 0,005V na 5V nakon prve faze, a zatim se smanjio na 4V nakon druge i zatim 3.865 V nakon završne faze), propusni opseg i usječni filter radili su prema namjeni i proizvodili su frekvencijski raspon od 0,5-150 Hz s uklanjanjem frekvencije oko 57,5-58,8 Hz.

Nakon što sam utvrdio parametre za svoj krug, usporedio sam ga s dva druga EKG -a. Izravnija usporedba sa samo brojevima može se pronaći u tablici 1. Postoje tri glavna zaključka pri usporedbi mojih podataka s drugim izvorima literature. Prvi je bio da je pojačanje u mojem krugu značajno niže od druga dva koje sam također uspoređivao. Oba kruga izvora literature postigla su pojačanje od 1000, a u Gawalijevom EKG -u [9], signal je još više pojačan za faktor 147 u stupnju filtra. Stoga, iako je signal u mom krugu pojačan za 773 (pogreška od 22,7% u usporedbi sa standardnim pojačanjem) i smatra se dovoljnim za tumačenje ulaznog signala s elektrode [6], ipak je patuljast u usporedbi sa standardnim pojačanjem 1000. Da bi se u mom krugu postiglo standardno pojačanje, pojačanje u instrumentacijskom pojačalu trebalo bi povećati na faktor veći od 1000, tako da kad se pojačanje smanji nakon prolaska kroz svaku od faza filtra u mom krugu, i dalje ima pojačanje od najmanje 1000 ili je potrebno prilagoditi filtre kako bi se spriječilo povećanje razine pada napona.

Drugi veliki zaključak bio je da su sva tri kola imala vrlo slične frekvencijske raspone. Gawalijev [9] imao je potpuno isti raspon od 0,5-150 Hz, dok je Goa [10] imao nešto širi raspon od 0,05-159 Hz. Goin krug imao je tu malu razliku jer je taj raspon bolje odgovarao kartici za prikupljanje podataka koja se koristila u njihovom postavljanju.

Posljednji veliki poticaj bile su razlike u središtu frekvencija odbijanja postignute usječenim filterima u svakom krugu. I Gao i moj krug imali su cilj od 60 Hz kako bi suzbili linijsku frekvenciju koja je uzrokovala šum dalekovoda, dok je Gawalijev bio postavljen na 50 Hz. Međutim, ovo odstupanje je u redu jer ovisno o lokaciji u svijetu, frekvencija dalekovoda može biti 50 ili 60 Hz. Stoga je napravljena izravna usporedba samo s Goinim krugom budući da smetnje dalekovoda u Sjedinjenim Državama iznose 60 Hz [11]. Postotak pogreške je 3,08%.