Automatizuota EKG: stiprinimas ir filtrų modeliavimas naudojant „LTspice“: 5 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:44

Tai galutinio įrenginio, kurį kursite, vaizdas ir labai nuodugni diskusija apie kiekvieną dalį. Taip pat aprašomi kiekvieno etapo skaičiavimai.

Nuotraukoje parodyta šio įrenginio blokinė schema

Metodai ir medžiagos:

Šio projekto tikslas buvo sukurti signalo gavimo įrenginį, kad būtų galima apibūdinti konkretų biologinį signalą/surinkti atitinkamus duomenis apie signalą. Tiksliau, automatizuota EKG. Blokinėje schemoje, parodyta 3 paveiksle, parodyta siūloma įrenginio schema. Įrenginys biologinį signalą gautų per elektrodą, o po to jį sustiprintų, naudodamas stiprintuvą, kurio padidėjimas būtų 1000. Šis stiprinimas yra būtinas, nes biologinis signalas bus mažesnis esant maždaug 5 mV, o tai yra labai maža ir gali būti sunku interpretuoti [5]. Vėliau triukšmas būtų sumažintas naudojant dažnių juostos filtrą, kad būtų pasiektas norimas signalo dažnių diapazonas, 0,5–150 Hz, o po to eis griovelis, kad būtų pašalintas įprastas aplinkinis triukšmas, kurį sukelia apie 50–60 Hz elektros linijos. [11]. Galiausiai signalą reikia paversti skaitmeniniu, kad jį būtų galima interpretuoti naudojant kompiuterį ir tai daroma naudojant analoginį į skaitmeninį keitiklį. Tačiau šiame tyrime daugiausia dėmesio bus skiriama stiprintuvui, pralaidumo filtrui ir išpjovos filtrui.

Stiprintuvas, pralaidumo filtras ir išpjovos filtras buvo suprojektuoti ir imituoti naudojant „LTSpice“. Kiekvienas skyrius pirmiausia buvo sukurtas atskirai ir išbandytas siekiant įsitikinti, kad jie veikia tinkamai, o po to sujungiami į vieną galutinę schemą. Stiprintuvas, kurį galima pamatyti 4 paveiksle, buvo sukurtas ir pagrįstas instrumentiniu stiprintuvu. Prietaisų stiprintuvas dažniausiai naudojamas EKG, temperatūros monitoriuose ir net žemės drebėjimo detektoriuose, nes jis gali sustiprinti labai žemo lygio signalą, tuo pačiu atmesdamas triukšmą. Tai taip pat labai lengva modifikuoti, kad būtų galima pritaikyti bet kokią naudą [6]. Norimas grandinės stiprinimas yra 1000 ir jis buvo pasirinktas, nes įvestis iš elektrodo bus mažesnio nei 5 mV kintamosios srovės signalas [5] ir turi būti sustiprintas, kad būtų lengviau interpretuoti duomenis. Norint gauti 1000 padidėjimą, buvo naudojama (1) lygtis GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3), todėl gautas GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω)/101,01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. Siekiant patvirtinti, kad buvo pasiektas teisingas stiprinimo kiekis, buvo atliktas laikinas bandymas naudojant „LTspice“.

Antrasis etapas buvo pralaidumo filtras. Šis filtras matomas 5 paveiksle ir susideda iš žemo ir aukšto dažnio filtrų su operaciniu stiprintuvu, kad filtrai negalėtų vienas kito panaikinti. Šio etapo tikslas yra sukurti nustatytą dažnių diapazoną, kurį būtų galima priimti per prietaisą. Pageidautinas šio prietaiso diapazonas yra 0,5–150 Hz, nes tai yra standartinis EKG diapazonas [6]. Norint pasiekti šį tikslinį diapazoną, (2) lygties ribinis dažnis = 1/(2πRC) buvo naudojamas siekiant nustatyti tiek aukšto, tiek žemo dažnio filtro ribinį dažnį pralaidumo juostoje. Kadangi apatinis diapazono galas turėjo būti 0,5 Hz, apskaičiuota, kad aukšto dažnio filtro rezistoriaus ir kondensatoriaus vertės yra 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83µF), o viršutinė - 150 Hz, pralaidumo filtro rezistoriaus ir kondensatoriaus vertės buvo apskaičiuotos kaip 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1,061µF). Siekiant patvirtinti, kad buvo pasiektas teisingas dažnių diapazonas, naudojant „LTspice“buvo atliktas kintamosios srovės valymas.

Trečias ir paskutinis imituojamas etapas yra įpjovos filtras, kurį galima pamatyti 6 paveiksle. Įpjovos filtras tarnauja kaip priemonė pašalinti nepageidaujamą triukšmą, atsirandantį norimo dažnių diapazono, kurį sukuria pralaidumas, viduryje. Tikslinis dažnis šiuo atveju yra 60 Hz, nes tai yra standartinis elektros linijos dažnis Jungtinėse Valstijose ir sukelia trikdžius, jei su jais nesusitvarkoma [7]. Įpjovos filtras, pasirinktas šiems trukdžiams pašalinti, buvo dviejų t įpjovų filtras su dviem stiprintuvais ir įtampos dalikliu. Tai leis signalui ne tik išfiltruoti signalą tiesiogiai pagal tikslinį dažnį, bet ir įvesti kintamą grįžtamąjį ryšį į sistemą, reguliuojamą kokybės koeficientą Q ir kintamą išėjimą dėl įtampos skirstytuvo, todėl jis tapo aktyviu filtru, o ne pasyvus [8]. Tačiau šie papildomi veiksniai dažniausiai buvo nepaliesti pradiniuose bandymuose, tačiau bus aptarti būsimuose darbuose ir kaip vėliau patobulinti projektą. Norint nustatyti atmetimo dažnio centrą, (3) lygtis centro atmetimo dažnis = 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. Siekiant patvirtinti, kad buvo pasiektas teisingas atmetimo dažnis, naudojant „LTspice“buvo atliktas kintamosios srovės valymas.

Galiausiai, po to, kai kiekvienas etapas buvo išbandytas atskirai, trys etapai buvo sujungti, kaip parodyta 7 paveiksle. Taip pat reikėtų pažymėti, kad visi stiprintuvai buvo tiekiami su +15V ir -15V nuolatinės srovės maitinimo šaltiniu, kad būtų galima gerokai sustiprinti atsirasti, kai reikia. Tada užbaigtame kontūre buvo atliktas ir laikinas bandymas, ir kintamosios srovės valymas.

Rezultatai:

Kiekvieno etapo grafikus galite rasti tiesiogiai po atitinkamu etapu priedo paveikslo skyriuje. Pirmajam etapui, instrumentiniam stiprintuvui, grandinėje buvo atliktas laikinas bandymas, siekiant patikrinti, ar stiprintuvo stiprinimas buvo 1000. Bandymas truko nuo 1 iki 1,25 sekundės, o maksimalus laiko intervalas buvo 0,05. Tiekiama įtampa buvo kintamosios srovės banga, kurios amplitudė yra 0,005 V ir dažnis 50 Hz. Numatytas pelnas buvo 1000 ir, kaip matyti 4 paveiksle, kadangi Vout (žalia kreivė) turėjo 5 V amplitudę. Imituotas pelnas buvo apskaičiuotas taip, kad padidėjimas = Vout/Vin = 5V/0,005V = 1000. Todėl šio etapo paklaida yra 0%. Šio skyriaus įvestis buvo pasirinkta 0,005 V, nes ji bus glaudžiai susijusi su įvestimi, gauta iš elektrodo, kaip nurodyta metodų skyriuje.

Antrojo etapo, juostos filtro, tikslinis diapazonas buvo 0,5–150 Hz. Siekiant patikrinti filtrą ir įsitikinti, kad diapazonas sutampa, dešimtmetį kintamosios srovės šlavimas buvo atliktas 100 taškų per dešimtmetį nuo 0,01 iki 1000 Hz. 5 paveiksle pavaizduoti kintamosios srovės valymo rezultatai ir patvirtinama, kad buvo pasiektas 0,5–150 Hz dažnių diapazonas, nes didžiausias minus 3 dB suteikia ribinį dažnį. Šis metodas parodytas grafike.

Trečiasis etapas, išpjovos filtras, buvo sukurtas siekiant pašalinti apie 60 Hz esantį triukšmą. Apskaičiuotas atmetimo dažnio centras buvo ~ 56 Hz. Siekiant tai patvirtinti, dešimtmetį kintamosios srovės šlavimas buvo atliktas su 100 taškų per dešimtmetį nuo 0,01 iki 1000 Hz. 6 paveiksle pavaizduoti kintamosios srovės valymo rezultatai ir iliustruojamas atmetimo dažnio centras ~ 56–59 Hz. Šio skyriaus klaidos procentas būtų 4,16 %.

Patvirtinus, kad kiekvienas atskiras etapas veikia, trys etapai buvo surinkti, kaip parodyta 7 paveiksle. Tada buvo atliktas trumpalaikis bandymas, siekiant patikrinti grandinės stiprinimą, ir bandymas truko nuo 1 iki 1,25 sekundės, o maksimalus laiko intervalas buvo 0,05. tiekiama 0,005 V amplitudės ir 50 Hz dažnio kintamosios srovės sinusinės bangos įtampa. Gautas grafikas yra pirmasis grafikas 7 paveiksle, kuriame parodyta Vout3 (raudona), visos grandinės išėjimas yra 3,865 V, todėl padidėjimas = 3,865V/0,005V = 773. Tai žymiai skiriasi nuo numatyto 1000 padidėjimo ir pateikia 22,7%paklaidą. Po trumpalaikio bandymo, praėjus dešimtmečiui, kintamosios srovės šlavimas buvo atliktas su 100 taškų per dešimtmetį nuo 0,01 iki 1000 Hz ir buvo sukurtas antrasis grafikas 7 paveiksle. Šioje diagramoje išryškinami numatomi rezultatai ir parodomi filtrai, veikiantys kartu, kad būtų sukurtas filtras, priima dažnius nuo 0,5-150 Hz, o atstūmimo centras-nuo 57,5-58,8 Hz.

Lygtis:

(1) - prietaisų stiprintuvo [6] padidėjimas, rezistoriai, palyginti su 4 pav.

(2) - žemo/aukšto dažnio filtro išjungimo dažnis

(3) - dvigubos įpjovos filtrui [8], rezistoriai, palyginti su 6 paveiksle esančiais.

1 žingsnis: instrumentinis stiprintuvas

1 etapas: instrumentinis stiprintuvas

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

2 žingsnis: Bandpass

2 etapas: pralaidumo filtras

lygtis: ribinis dažnis = 1/2πRC

3 žingsnis: 3 etapas: įpjovos filtras

3 etapas: „Twin T Notch“filtras

lygtis - centro atmetimo dažnis = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

4 žingsnis: galutinė visų etapų schema kartu

Galutinė schema su kintamosios srovės ir trumpalaikėmis kreivėmis

5 žingsnis: įrenginio aptarimas

Diskusija:

Pirmiau atliktų bandymų rezultatas buvo toks, kokio tikėtasi visai grandinei. Nors stiprinimas nebuvo tobulas ir signalas šiek tiek pablogėjo, kuo toliau jis ėjo per grandinę (tai galima pamatyti 7 paveiksle, 1 grafike, kur signalas padidėjo nuo 0,005 V iki 5 V po pirmojo etapo, o po to sumažėjo iki 4 V. ir tada 3,865 V po paskutinio etapo), pralaidumo ir išpjovos filtras veikė taip, kaip numatyta, ir sukuria 0,5–150 Hz dažnių diapazoną, pašalindamas apie 57,5–58,8 Hz dažnį.

Nustačiusi savo grandinės parametrus, palyginau jį su dviem kitais EKG. Tiesioginį palyginimą su tik skaičiais galima rasti 1 lentelėje. Lyginant mano duomenis su kitais literatūros šaltiniais, buvo trys pagrindinės išvados. Pirmasis buvo tas, kad mano grandinės stiprinimas buvo žymiai mažesnis nei kitų dviejų, kuriuos lyginau. Abi literatūros šaltinių grandinės pasiekė 1000 stiprinimų, o Gawali EKG [9] signalas buvo dar labiau sustiprintas 147 koeficientu filtro stadijoje. Todėl, nors mano grandinės signalas buvo sustiprintas 773 (22,7% paklaida, lyginant su standartiniu stiprinimu) ir manoma, kad jo pakanka, kad būtų galima interpretuoti įvesties signalą iš elektrodo [6], jis vis tiek nukrypo nuo standartinio stiprinimo 1000. Jei mano grandinėje būtų pasiektas standartinis stiprinimas, instrumentinio stiprintuvo stiprinimą reikėtų padidinti iki koeficiento, didesnio nei 1000, kad kai stiprinimas sumažėtų, kai praeinu per kiekvieną mano grandinės filtro pakopą, jis vis dar turi bent 1000 padidėjimą arba filtrus reikia sureguliuoti, kad būtų išvengta didesnio įtampos kritimo lygio.

Antrasis svarbus dalykas buvo tas, kad visos trys grandinės turėjo labai panašius dažnių diapazonus. „Gawali“[9] diapazonas buvo lygiai toks pat 0,5–150 Hz, o „Goa“[10]-kiek platesnis-0,05–159 Hz. „Goa“grandinėje buvo nedidelis neatitikimas, nes šis diapazonas geriau tiko duomenų surinkimo kortelei, kuri buvo naudojama jų sąrankoje.

Paskutinis esminis dalykas buvo atmetimo dažnių centro skirtumai, pasiekti kiekvienos grandinės įpjovų filtrais. Abu „Gao“ir mano grandinės tikslai buvo 60 Hz, siekiant slopinti elektros linijų dažnio triukšmą, o „Gawali“buvo nustatytas 50 Hz. Tačiau šis neatitikimas yra geras, nes, priklausomai nuo pasaulio vietos, elektros linijos dažnis gali būti 50 arba 60 Hz. Todėl buvo atliktas tiesioginis palyginimas tik su Goa grandine, nes JAV elektros linijos trukdžiai yra 60 Hz [11]. Klaidos procentas yra 3,08%.