Automatizēta EKG: pastiprināšanas un filtrēšanas simulācijas, izmantojot LTspice: 5 soļi

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

Šis ir pēdējās ierīces attēls, kuru jūs veidosit, un ļoti padziļināta diskusija par katru daļu. Apraksta arī aprēķinus katram posmam.

Attēlā parādīta šīs ierīces blokshēma

Metodes un materiāli:

Šī projekta mērķis bija izstrādāt signāla iegūšanas ierīci, lai raksturotu konkrētu bioloģisko signālu/savāktu attiecīgus datus par signālu. Precīzāk, automatizēta EKG. Bloka diagramma, kas parādīta 3. attēlā, izceļ ierosināto ierīces shēmu. Ierīce saņemtu bioloģisko signālu caur elektrodu un pēc tam to pastiprinātu, izmantojot pastiprinātāju ar pastiprinājumu 1000. Šis pastiprinājums ir nepieciešams, jo bioloģiskais signāls būs mazāks pie aptuveni 5 mV, kas ir ļoti mazs un to var būt grūti interpretēt [5]. Pēc tam troksnis tiktu samazināts, izmantojot joslas caurlaidības filtru, lai iegūtu signālam vēlamo frekvenču diapazonu 0,5–150 Hz, un pēc tam sekotu iecirtums, lai novērstu parasto apkārtējo troksni, ko rada elektrolīnijas, kas atrastas ap 50–60 Hz [11]. Visbeidzot, signāls ir jāpārvērš ciparā, lai to varētu interpretēt, izmantojot datoru, un tas tiek darīts ar analogo ciparu pārveidotāju. Tomēr šajā pētījumā galvenā uzmanība tiks pievērsta pastiprinātājam, joslas caurlaidības filtram un iecirtuma filtram.

Pastiprinātājs, joslas caurlaidības filtrs un iecirtuma filtrs tika izstrādāti un simulēti, izmantojot LTSpice. Katra sadaļa vispirms tika izstrādāta atsevišķi un pārbaudīta, lai pārliecinātos, ka tā darbojas pareizi, un pēc tam tika apvienota vienā galīgajā shēmā. Pastiprinātājs, kas redzams 4. attēlā, tika izstrādāts un balstīts uz instrumentālo pastiprinātāju. Instrumentu pastiprinātāju parasti izmanto EKG, temperatūras monitoros un pat zemestrīču detektoros, jo tas var pastiprināt ļoti zemu signāla līmeni, vienlaikus noraidot lieko troksni. To ir arī ļoti viegli modificēt, lai pielāgotos vajadzīgajam ieguvumam [6]. Vēlamais ķēdes pastiprinājums ir 1000, un tas tika izvēlēts, jo elektroda ievade būs maiņstrāvas signāls, kas mazāks par 5 mV [5], un tas ir jāpastiprina, lai atvieglotu datu interpretāciju. Lai iegūtu pastiprinājumu 1000, tika izmantots vienādojums (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3), kas deva GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω)/101,01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. Lai apstiprinātu pareizā pastiprinājuma apjoma sasniegšanu, tika veikts pārejošs tests, izmantojot LTspice.

Otrais posms bija joslas caurlaidības filtrs. Šo filtru var redzēt 5. attēlā, un tas sastāv no zemas caurlaidības un pēc tam augstās caurlaides filtra, starp kuriem ir darbības pastiprinātājs, lai novērstu to, ka filtri viens otru izslēdz. Šī posma mērķis ir radīt noteiktu frekvenču diapazonu, kas būs pieņemams, lai izietu caur ierīci. Vēlamais šīs ierīces diapazons ir 0,5 - 150 Hz, jo tas ir EKG standarta diapazons [6]. Lai sasniegtu šo mērķa diapazonu, (2) vienādojuma robežfrekvence = 1/(2πRC) tika izmantota, lai noteiktu slāpēšanas frekvenci gan augstās, gan zemās caurlaides filtram joslas joslā. Tā kā diapazona apakšējam galam vajadzēja būt 0,5 Hz, tika aprēķināts, ka augstfrekvences filtra rezistora un kondensatora vērtības ir 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83µF), un augšējam galam jābūt 150 Hz, caurlaidības filtra rezistora un kondensatora vērtības tika aprēķinātas kā 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1,061µF). Lai apstiprinātu, ka ir sasniegts pareizais frekvenču diapazons, tika veikta maiņstrāvas slaucīšana, izmantojot LTspice.

Trešais un pēdējais simulētais posms ir iecirtuma filtrs, un to var redzēt 6. attēlā. Griezuma filtrs kalpo kā līdzeklis, lai novērstu nevēlamu troksni, kas rodas vēlamā frekvenču diapazona vidū, ko rada joslas caurlaide. Mērķa frekvence šajā gadījumā ir 60 Hz, jo tā ir standarta elektrolīnijas frekvence Amerikas Savienotajās Valstīs un rada traucējumus, ja netiek novērsta [7]. Šo traucējumu novēršanai izvēlētais iecirtuma filtrs bija divu t iecirtumu filtrs ar diviem op pastiprinātājiem un sprieguma dalītāju. Tas ļaus signālam ne tikai filtrēt signālu tieši mērķa frekvencē, bet arī ieviest sistēmā mainīgu atgriezenisko saiti, regulējamu kvalitātes koeficientu Q un mainīgu izeju, pateicoties sprieguma dalītājam, un tāpēc padarīja to par aktīvu filtru, nevis pasīvs [8]. Tomēr šie papildu faktori sākotnējos testos lielākoties palika neskarti, taču tie tiks ņemti vērā turpmākajos darbos un kā vēlāk uzlabot projektu. Lai noteiktu noraidīšanas frekvences centru, vienādojums (3) centra noraidīšanas frekvence = 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. Lai apstiprinātu, ka ir sasniegts pareizais noraidīšanas biežums, tika veikta maiņstrāvas slaucīšana, izmantojot LTspice.

Visbeidzot, pēc tam, kad katrs posms tika pārbaudīts atsevišķi, trīs posmi tika apvienoti, kā parādīts 7. attēlā. Jāatzīmē arī, ka visi op pastiprinātāji tika piegādāti ar +15V un -15V līdzstrāvas barošanas avotu, lai nodrošinātu būtisku pastiprinājumu notikt, kad tas ir nepieciešams. Pēc tam pabeigtajā ķēdē tika veikts gan pārejošs tests, gan maiņstrāvas slaucīšana.

Rezultāti:

Katra posma grafikus var atrast tieši zem attiecīgā posma pielikuma attēlā. Pirmajā posmā, instrumentālajā pastiprinātājā, ķēdē tika veikts pārejošs tests, lai pārbaudītu, vai pastiprinātāja pastiprinājums ir 1000. Tests ilga no 1 līdz 1,25 sekundēm ar maksimālo laika soli 0,05. Piegādātais spriegums bija maiņstrāvas sinusa vilnis ar amplitūdu 0,005 V un frekvenci 50 Hz. Paredzētais pieaugums bija 1000, un, kā redzams 4. attēlā, kopš Vout (zaļās līknes) amplitūda bija 5 V. Simulētais pieaugums tika aprēķināts kā: guvums = Vout/Vin = 5V/0,005V = 1000. Tāpēc šī posma kļūda procentos ir 0%. Šajā sadaļā kā ieeja tika izvēlēts 0,005 V, jo tas būs cieši saistīts ar ieeju, kas saņemta no elektroda, kā minēts sadaļā Metodes.

Otrā posma - joslas caurlaides filtra - mērķa diapazons bija 0,5 - 150 Hz. Lai pārbaudītu filtru un pārliecinātos par diapazona atbilstību, desmit gadu laikā maiņstrāvas slaucīšana tika veikta ar 100 punktiem desmitgadē no 0,01 līdz 1000 Hz. 5. attēlā parādīti maiņstrāvas slaucīšanas rezultāti un apstiprināts, ka tika sasniegts frekvenču diapazons no 0,5 līdz 150 Hz, jo maksimālais mīnus 3 dB dod izslēgšanas frekvenci. Šī metode ir parādīta grafikā.

Trešais posms, iecirtuma filtrs, tika izstrādāts, lai novērstu aptuveni 60 Hz radīto troksni. Aprēķinātais noraidīšanas frekvences centrs bija ~ 56 Hz. Lai to apstiprinātu, desmit gadu laikā maiņstrāvas slaucīšana tika veikta ar 100 punktiem desmitgadē no 0,01 līdz 1000 Hz. 6. attēlā parādīti maiņstrāvas slaucīšanas rezultāti un ilustrēts noraidīšanas frekvences centrs ~ 56–59 Hz. Procentuālā kļūda šai sadaļai būtu 4,16 %.

Pēc tam, kad bija apstiprināts, ka katrs posms darbojas, trīs posmi tika salikti, kā parādīts 7. attēlā. maiņstrāvas sinusa viļņa spriegums ar amplitūdu 0,005 V un frekvenci 50 Hz. Iegūtais grafiks ir pirmais grafiks 7. attēlā, kurā parādīts Vout3 (sarkans), visas ķēdes izeja ir 3,865 V, un tāpēc ieguvums = 3,865V/0,005V = 773. Tas ievērojami atšķiras no paredzētā pieauguma 1000 un rada kļūdu 22,7%. Pēc pārejošas pārbaudes, desmit gadus, maiņstrāvas slaucīšana tika veikta ar 100 punktiem desmitgadē no 0,01 līdz 1000 Hz, un tika izveidots otrais grafiks 7. attēlā. Šajā diagrammā ir uzsvērti paredzētie rezultāti un parādīti filtri, kas darbojas kopā, lai izveidotu filtru, kas pieņem frekvences no 0,5-150 Hz ar noraidīšanas centru no 57,5-58,8 Hz.

Vienādojumi:

(1) - instrumentu pastiprinātāja [6] ieguvums, rezistori salīdzinājumā ar tiem, kas atrodami 4. attēlā.

(2) - zemās/augstās caurlaides filtra izslēgšanas frekvence

(3) - divu t iecirtumu filtram [8] rezistori attiecībā pret tiem, kas atrodami 6. attēlā.

1. darbība: instrumentālais pastiprinātājs

1. posms: instrumentālais pastiprinātājs

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

2. darbība: joslas caurlaide

2. posms: joslas caurlaides filtrs

vienādojums: robežfrekvence = 1/2πRC

3. darbība: 3. posms: iecirtuma filtrs

3. posms: Twin T Notch filtrs

vienādojums - centra noraidīšanas biežums = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

4. solis: visu posmu galīgā shēma kopā

Galīgā shēma ar maiņstrāvas slaucīšanu un pārejošām līknēm

5. darbība: ierīces apspriešana

Diskusija:

Iepriekš veikto testu rezultāts bija tāds, kā paredzēts visai ķēdei. Lai gan pastiprinājums nebija ideāls un signāls nedaudz pasliktinājās, jo tālāk tas izgāja cauri ķēdei (to var redzēt 7. attēlā, 1. grafikā, kur signāls pēc pirmā posma palielinājās no 0.005V līdz 5V un pēc otrā samazinājās līdz 4V) un pēc tam 3,865 V pēc pēdējā posma), joslas caurlaide un iecirtuma filtrs strādāja, kā paredzēts, un radīja frekvenču diapazonu 0,5–150 Hz, noņemot frekvenci aptuveni 57,5–58,8 Hz.

Pēc ķēdes parametru noteikšanas es to salīdzināju ar divām citām EKG. Tiešāks salīdzinājums ar tikai skaitļiem ir atrodams 1. tabulā. Salīdzinot savus datus ar citiem literatūras avotiem, bija trīs galvenie secinājumi. Pirmais bija tas, ka pastiprinājums manā ķēdē bija ievērojami zemāks nekā pārējie divi, kurus es arī salīdzināju. Abās literatūras avotu ķēdēs tika sasniegts 1000 pastiprinājums, un Gawali EKG [9] signāls tika vēl vairāk pastiprināts ar koeficientu 147 filtra stadijā. Tāpēc, lai gan signāls manā ķēdē tika pastiprināts ar 773 (22,7% kļūda, salīdzinot ar standarta pastiprinājumu) un tika uzskatīts par pietiekamu, lai varētu interpretēt ieejas signālu no elektroda [6], tas joprojām ir punduris salīdzinājumā ar standarta pastiprinājumu 1000. Ja manā ķēdē būtu jāpanāk standarta pastiprinājums, tad pastiprinājums instrumentālajā pastiprinātājā būtu jāpalielina līdz koeficientam, kas lielāks par 1000, lai, kad pastiprinājums tiktu samazināts pēc tam, kad es esmu izgājis cauri katram filtra posmam manā ķēdē, tam joprojām ir vismaz 1000 pastiprinājums vai filtri ir jāpielāgo, lai novērstu lielāku sprieguma kritumu.

Otrs nozīmīgais atteikums bija tas, ka visām trim ķēdēm bija ļoti līdzīgi frekvenču diapazoni. Gavalija [9] diapazons bija tieši tāds pats kā 0,5–150 Hz, savukārt Goa [10] diapazons bija nedaudz plašāks-0,05–159 Hz. Goa ķēdei bija neliela neatbilstība, jo šis diapazons labāk atbilst datu iegūšanas kartei, kas tika izmantota to iestatīšanā.

Pēdējais lielais atteikums bija atšķirības noraidīšanas frekvenču centrā, ko sasniedza iecirtuma filtri katrā ķēdē. Gan Gao, gan manai ķēdei bija mērķis 60 Hz, lai nomāktu līnijas frekvences troksni, ko izraisīja elektrolīnijas, kamēr Gawali bija iestatīts uz 50 Hz. Tomēr šī neatbilstība ir laba, jo atkarībā no atrašanās vietas pasaulē elektrolīnijas frekvence var būt 50 vai 60 Hz. Tāpēc tika veikts tiešs salīdzinājums tikai ar Goa ķēdi, jo elektrolīniju traucējumi ASV ir 60 Hz [11]. Procentuālā kļūda ir 3,08%.