Pamata elektrokardiogrammas iegūšana, pastiprināšana un filtrēšanas shēmas dizains: 6 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:51

Lai izpildītu šo pamācību, vienīgais, kas nepieciešams, ir dators, piekļuve internetam un dažas simulācijas programmatūras. Šī dizaina nolūkos visas shēmas un simulācijas tiks palaistas vietnē LTspice XVII. Šī simulācijas programmatūra satur vairāk nekā 1 000 komponentu bibliotēkas, kas padara shēmu izveidi ļoti vienkāršu. Tā kā šīs shēmas tiks vispārinātas, “UniversalOpAmp2” tiks izmantots visos gadījumos, kad nepieciešams op-amp. Turklāt katrs op -amp tika darbināts ar +15V un -15V barošanas avotu. Šie barošanas avoti ne tikai baro op-amp, bet arī fiksē izejas spriegumu, ja tas sasniegs kādu no šīm divām galējībām.

1. solis: Instrumentu pastiprinātāja dizains

Pēc signāla iegūšanas to nepieciešams pastiprināt, lai veiktu aprēķinus un filtrētu to. Elektrokardiogrammām visizplatītākā pastiprināšanas metode ir instrumentu pastiprinātājs. Kā minēts iepriekš, instrumentu pastiprinātājam ir daudz priekšrocību, kad runa ir par pastiprināšanas shēmām, no kurām lielākā ir augstā pretestība starp ieejas spriegumiem. Lai izveidotu šo shēmu, tika izmantoti 3 op-ampēri kopā ar septiņiem rezistoriem, sešiem no rezistoriem pēc lieluma. Lielākās daļas elektrokardiogrammu pastiprinājums ir aptuveni 1000 reizes lielāks par ieejas signālu [1]. Instrumentu pastiprinātāja pastiprinājuma vienādojums ir šāds: Gain = 1 + (2 * R1/R2) * (R7/R6). Vienkāršības labad tika pieņemts, ka katrs rezistors ir 1000 omi, izņemot R2, kas tika noteikts kā 2 omi. Šīs vērtības dod 1001 reizes lielāku pastiprinājumu nekā ieejas spriegums. Šis ieguvums ir pietiekams, lai pastiprinātu iegūtos signālus turpmākai analīzei. Tomēr, izmantojot vienādojumu, ieguvums var būt jebkurš, ko vēlas to shēmas dizains.

2. solis: joslas caurlaidības filtra dizains

Joslas caurlaidības filtrs ir augstfrekvences filtrs un zemas caurlaidības filtrs, kas darbojas saskaņoti, parasti ar op-amp, lai nodrošinātu tā saucamo caurlaides joslu. Pārejas josla ir frekvenču diapazons, kas var pāriet, bet visi pārējie un augstākie tiek noraidīti. Nozares standarti nosaka, ka standarta elektrokardiogrammai jābūt caurlaides joslai no 0,5 Hz līdz 150 Hz [2]. Šī lielā caurlaides josla nodrošina, ka tiek ierakstīts viss sirds elektriskais signāls un neviens no tā netiek filtrēts. Tāpat šī caurlaide noraida jebkādu līdzstrāvas nobīdi, kas varētu traucēt signālu. Lai to projektētu, jāizvēlas īpaši rezistori un kondensatori tā, lai augstās caurlaides izslēgšanas frekvence būtu 0,5 Hz, bet zemas caurlaides - 150 Hz. Gan augšējās, gan zemās caurlaides filtra izslēgšanas frekvences vienādojums ir šāds: Fc = 1/(2*pi*RC). Maniem aprēķiniem tika izvēlēts patvaļīgs rezistors, pēc tam, izmantojot 4. vienādojumu, tika aprēķināta kondensatora vērtība. Tāpēc augstas caurlaidības filtra rezistora vērtība būs 100 000 omi un kondensatora vērtība 3,1831 mikrofarad. Tāpat zemas caurlaides filtra rezistora vērtība būs 100 000 omi un kondensatora vērtība 10,61 nanofarads. Tiek parādīta joslas caurlaidības filtra diagramma ar pielāgotajām vērtībām.

3. solis: iecirtuma filtra dizains

Griezuma filtrs būtībā ir pretstats joslas caurlaidības filtram. Tā vietā, lai būtu augstā caurlaide, kam seko zemā caurlaide, tā ir zemā caurlaide, kam seko augstā caurlaide, tāpēc būtībā var novērst vienu nelielu trokšņa joslu. Elektrokardiogrammas iecirtuma filtram tika izmantots Twin-T iecirtuma filtra dizains. Šis dizains ļauj filtrēt centrālo frekvenci un nodrošina lielu kvalitātes koeficientu. Šajā gadījumā centra frekvence, no kuras atbrīvoties, bija 60 Hz. Izmantojot 4. vienādojumu, rezistora vērtības tika aprēķinātas, izmantojot doto kondensatora vērtību 0,1 mikrofarads. Aprēķinātās rezistora vērtības 60 Hz apstāšanās joslai bija 26, 525 omi. Tad tika aprēķināts, ka R5 ir ½ no R3 un R4. C3 tika aprēķināts arī kā dubultā vērtība, kas izvēlēta C1 un C2 [3]. R1 un R2 tika izvēlēti patvaļīgi rezistori.

4. solis: kombinētā shēma

Izmantojot tīklus, šīs sastāvdaļas tika saliktas virknē kopā, un tiek attēlots pabeigtās ķēdes attēls. Saskaņā ar Springer Science publicēto rakstu, pieņemamai EKG ķēdes pastiprināšanai vajadzētu būt aptuveni 70 dB, kad tiek izveidota visa ķēde [4].

5. darbība: visas ķēdes pārbaude

Kad visas sastāvdaļas tika ievietotas virknē, bija nepieciešama konstrukcijas apstiprināšana. Pārbaudot šo ķēdi, tika veikta gan pārejoša, gan maiņstrāvas slaucīšana, lai noteiktu, vai visas sastāvdaļas darbojas vienlaicīgi. Ja tas tā būtu, pārejas izejas spriegums joprojām būtu aptuveni 1000 reizes lielāks par ieejas spriegumu. Tāpat, kad tika veikta maiņstrāvas slaucīšana, būtu sagaidāms joslas caurlaidības filtra kods ar iecirtumu 60 Hz frekvencē. Aplūkojot attēlos redzamos attēlus, šī shēma spēja veiksmīgi sasniegt abus šos mērķus. Vēl viens tests bija redzēt iecirtuma filtra efektivitāti. Lai to pārbaudītu, caur ķēdi tika nodots 60 Hz signāls. Kā parādīts attēlā, šīs izejas lielums bija tikai aptuveni 5x lielāks nekā ieeja, salīdzinot ar 1000x, ja frekvence ir caurlaides joslā.

6. darbība. Resursi:

[1] “EKG mērīšanas sistēma”, Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (skatīts 1. decembrī, 2020).

[2] L. G. Tereščenko un M. E. Džozefsons, “Ventrikulārās vadīšanas biežuma saturs un raksturojums”, Journal of electrocardiology, vol. 48, nē. 6, 933–937, 2015, doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] “Joslas pārtraukšanas filtrus sauc par noraidīšanas filtriem”, Basic Electronics Tutorials, 2018. gada 22. maijs.

[4] N. Gulers un U. Fidans, “EKG signāla bezvadu pārraide”, Springer Science, sēj. 30., 2005. gada aprīlis, doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.