Pagrindinės elektrokardiogramos įsigijimas, stiprinimas ir filtravimo grandinės projektavimas: 6 žingsniai

2025 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2025-01-23 14:53

Norint įvykdyti šią instrukciją, reikalingi tik kompiuteris, prieiga prie interneto ir tam tikra modeliavimo programinė įranga. Šios konstrukcijos tikslais visos grandinės ir modeliavimas bus vykdomi naudojant „LTspice XVII“. Šioje modeliavimo programinėje įrangoje yra daugiau nei 1 000 komponentų bibliotekos, todėl labai lengva sukurti grandines. Kadangi šios grandinės bus apibendrintos, „UniversalOpAmp2“bus naudojamas kiekvienu atveju, kai reikia operacinio stiprintuvo. Be to, kiekvienas stiprintuvas buvo maitinamas +15V ir -15V maitinimo šaltiniu. Šie maitinimo šaltiniai ne tik maitina op-amp, bet ir išjungia išėjimo įtampą, jei ji pasiektų bet kurį iš šių dviejų kraštutinumų.

1 žingsnis: prietaisų stiprintuvo projektavimas

Gavus signalą, jį reikia sustiprinti, kad būtų galima atlikti skaičiavimus ir filtruoti. Elektrokardiogramoms labiausiai paplitęs stiprinimo metodas yra prietaisų stiprintuvas. Kaip minėta pirmiau, prietaisų stiprintuvas turi daug privalumų, susijusių su stiprinimo grandinėmis, didžiausia yra didelė varža tarp įėjimo įtampos. Norėdami sukurti šią grandinę, buvo naudojami 3 op stiprintuvai kartu su septyniais rezistoriais, iš kurių šeši rezistoriai buvo lygiaverčiai. Daugumos elektrokardiogramų padidėjimas yra apie 1000 kartų didesnis už įvesties signalą [1]. Prietaisų stiprintuvo stiprinimo lygtis yra tokia: Gain = 1 + (2 * R1/R2) * (R7/R6). Paprastumo dėlei buvo manoma, kad kiekvienas rezistorius yra 1000 omų, išskyrus R2, kuris buvo nustatytas kaip 2 omai. Šios vertės suteikia 1001 karto didesnį pelną nei įėjimo įtampa. Šis padidėjimas yra pakankamas, kad sustiprintų gautus signalus tolesnei analizei. Tačiau, naudojant lygtį, pelnas gali būti bet koks, ko nori jų grandinės dizainas.

2 žingsnis: juostos pralaidumo filtro dizainas

Pralaidus dažnių juostos filtras yra aukšto dažnio ir žemo dažnio filtras, paprastai veikiantis kartu su op-amp, kad būtų užtikrintas vadinamasis pralaidumas. Perėjimo juosta yra dažnių diapazonas, kuris gali praeiti, o visi kiti, esantys aukščiau ir žemiau, yra atmesti. Pramonės standartai nurodo, kad standartinės elektrokardiogramos pralaidumas turi būti nuo 0,5 Hz iki 150 Hz [2]. Ši didelė pralaidumo juosta užtikrina, kad visas elektrinis signalas iš širdies būtų įrašytas ir niekas iš jo nebūtų filtruojamas. Panašiai ši dažnių juosta atmeta bet kokį nuolatinės srovės poslinkį, kuris gali trukdyti signalui. Norint tai suprojektuoti, reikia pasirinkti konkrečius rezistorius ir kondensatorius, kad aukšto dažnio išjungimo dažnis būtų 0,5 Hz, o žemo dažnio - 150 Hz. Tiek aukšto, tiek žemo dažnio filtro išjungimo dažnio lygtis yra tokia: Fc = 1/(2*pi*RC). Mano skaičiavimams buvo pasirinktas savavališkas rezistorius, tada naudojant 4 lygtį buvo apskaičiuota kondensatoriaus vertė. Todėl aukšto dažnio filtro rezistoriaus vertė bus 100 000 omų, o kondensatoriaus vertė - 3,1831 mikrofarada. Panašiai žemo dažnio filtro rezistoriaus vertė bus 100 000 omų, o kondensatoriaus vertė-10,61 nanofaradų. Rodoma pralaidumo filtro schema su sureguliuotomis vertėmis.

3 žingsnis: įpjovos filtro dizainas

Įpjovos filtras iš esmės yra priešingas pralaidumo filtrui. Vietoj to, kad būtų aukštas ir po žemas, tai žemas ir aukštas, todėl iš esmės galima pašalinti vieną nedidelę triukšmo juostą. Įpjovos elektrokardiogramos filtrui buvo naudojamas „Twin-T“išpjovos filtras. Ši konstrukcija leidžia filtruoti centrinį dažnį ir suteikia didelį kokybės koeficientą. Šiuo atveju centrinis dažnis, kurio reikia atsikratyti, buvo 60 Hz. Naudojant 4 lygtį, rezistoriaus vertės buvo apskaičiuotos naudojant nurodytą 0,1 mikrofaradų kondensatoriaus vertę. Apskaičiuotos rezistoriaus vertės 60 Hz sustojimo juostoje buvo 26, 525 omai. Tada R5 buvo apskaičiuotas kaip ½ iš R3 ir R4. C3 taip pat buvo apskaičiuota kaip dvigubai didesnė C1 ir C2 vertė [3]. R1 ir R2 buvo pasirinkti savavališki rezistoriai.

4 žingsnis: kombinuota grandinė

Naudojant tinklus, šie komponentai buvo sudėti į seriją ir pavaizduotas užbaigtos grandinės vaizdas. Remiantis „Springer Science“paskelbtu straipsniu, priimtinas EKG grandinės padidėjimas turėtų būti apie 70 dB, kai visa grandinė yra sumontuota [4].

5 žingsnis: išbandykite visą grandinę

Kai visi komponentai buvo sudėti į seriją, reikėjo patvirtinti dizainą. Bandant šią grandinę, buvo atliktas trumpalaikis ir kintamosios srovės valymas, siekiant nustatyti, ar visi komponentai veikia vienu metu. Jei taip būtų, laikina išėjimo įtampa vis tiek būtų apie 1000 kartų didesnė už įėjimo įtampą. Panašiai, kai buvo atliktas kintamosios srovės valymas, tikimasi, kad juostos pralaidumo filtro kodo brėžinys bus išpjautas 60 Hz dažniu. Žvelgiant į pavaizduotus vaizdus, ši grandis sugebėjo sėkmingai pasiekti abu šiuos tikslus. Kitas bandymas buvo pamatyti įpjovos filtro efektyvumą. Norėdami tai patikrinti, per grandinę buvo perduotas 60 Hz signalas. Kaip parodyta paveikslėlyje, šios išvesties dydis buvo tik apie 5 kartus didesnis už įvestį, palyginti su 1000 kartų, kai dažnis yra pralaidumo diapazone.

6 veiksmas: ištekliai:

[1] „EKG matavimo sistema“, Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (žiūrėta gruodžio 1 d. 2020).

[2] L. G. Tereščenko ir M. E. Josephson, „Skilvelių laidumo dažnio turinys ir charakteristikos“, Journal of electrocardiology, t. 48, ne. 6, p. 933–937, 2015, doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] „Juostos sustabdymo filtrai vadinami atmetimo filtrais“, „Basic Electronics Tutorials“, 2018 m. Gegužės 22 d.

[4] N. Guler ir U. Fidan, „Belaidis EKG signalo perdavimas“, „Springer Science“, t. 2005 m. Balandžio 30 d., Doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.