Achiziționarea, amplificarea și filtrarea circuitului de proiectare a unei electrocardiograme de bază: 6 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:41

Pentru a finaliza acest instructable, singurele lucruri necesare sunt un computer, acces la internet și unele programe de simulare. În scopul acestui proiect, toate circuitele și simulările vor fi rulate pe LTspice XVII. Acest software de simulare conține biblioteci de peste 1 000 de componente, ceea ce facilitează crearea circuitelor. Deoarece aceste circuite vor fi generalizate, „UniversalOpAmp2” va fi utilizat pentru fiecare caz în care este nevoie de un amplificator operațional. În plus, fiecare amplificator operațional a fost alimentat de o sursă de alimentare de + 15V și -15V. Aceste surse de alimentare nu numai că alimentează amplificatorul operațional, ci și clipesc tensiunea de ieșire dacă ar ajunge la oricare dintre cele două extreme.

Pasul 1: Proiectarea amplificatorului de instrumentație

După ce semnalul a fost dobândit, acesta trebuie amplificat pentru a efectua calcule și filtrare pe acesta. Pentru electrocardiograme, cea mai comună metodă de amplificare este amplificatorul de instrumentație. După cum sa menționat mai sus, amplificatorul de instrumentație are multe avantaje atunci când vine vorba de circuite de amplificare, cel mai mare fiind impedanța ridicată dintre tensiunile de intrare. Pentru a construi acest circuit, au fost utilizate 3 op-amperi împreună cu șapte rezistențe, șase dintre acestea fiind echivalente în mărime. Câștigul majorității electrocardiogramelor este de aproximativ 1000x semnalul de intrare [1]. Ecuația pentru câștigul unui amplificator de instrumentație este următoarea: Gain = 1 + (2 * R1 / R2) * (R7 / R6). Pentru simplitate, fiecare rezistor a fost presupus a fi de 1000 ohmi, cu excepția R2, care a fost determinat a fi de 2 ohmi. Aceste valori dau un câștig de 1001 ori mai mare decât tensiunea de intrare. Acest câștig este suficient pentru a amplifica semnalele dobândite pentru o analiză ulterioară. Cu toate acestea, folosind ecuația, câștigul poate fi orice doriți pentru proiectarea circuitului lor.

Pasul 2: Proiectare filtru trecere bandă

Un filtru de trecere de bandă este un filtru de trecere înaltă și un filtru de trecere jos care funcționează în coordonare, de obicei, cu un amplificator operațional pentru a oferi ceea ce este cunoscut sub numele de bandă de trecere. O bandă de trecere este o gamă de frecvențe care pot trece în timp ce toate celelalte, deasupra și dedesubt, sunt respinse. Standardele industriale indică faptul că o electrocardiogramă standard trebuie să aibă o bandă de trecere de la 0,5 Hz la 150 Hz [2]. Această bandă largă de trecere asigură înregistrarea întregului semnal electric din inimă și niciunul din acesta nu este filtrat. La fel, această bandă de trecere respinge orice offset DC care ar putea interfera cu semnalul. Pentru a proiecta acest lucru, trebuie selectate rezistențe și condensatoare specifice, astfel încât frecvența de întrerupere a trecerii înalte să fie de 0,5 Hz și frecvența de întrerupere a trecerii joase să fie de 150 Hz. Ecuația frecvenței de întrerupere atât pentru trecerea înaltă, cât și pentru filtrul de trecere jos este următoarea: Fc = 1 / (2 * pi * RC). Pentru calculele mele, a fost ales un rezistor arbitrar, apoi folosind ecuația 4, a fost calculată o valoare a condensatorului. Prin urmare, filtrul de trecere înaltă va avea o valoare a rezistenței de 100 000 ohmi și o valoare a condensatorului de 3,1831 microfarade. La fel, filtrul trece jos va avea o valoare a rezistenței de 100 000 ohmi și o valoare a condensatorului de 10,61 nano-farade. Este prezentată o diagramă a filtrului de bandă cu valorile ajustate.

Pasul 3: Proiectarea filtrului cu crestături

Un filtru cu crestături este în esență opusul unui filtru bandpass. În loc de a avea o trecere înaltă urmată de o trecere joasă, este o trecere joasă urmată de o trecere înaltă, prin urmare se poate elimina în esență o mică bandă de zgomot. Pentru filtrul de crestături al electrocardiogramei, a fost utilizat un design de filtru de crestătură Twin-T. Acest design permite filtrarea unei frecvențe centrale și oferă un factor de calitate mare. În acest caz, frecvența centrală pentru a scăpa a fost de 60 Hz. Folosind ecuația 4, valorile rezistenței au fost calculate utilizând o valoare dată a condensatorului de 0,1 microfarade. Valorile rezistenței calculate pentru o bandă de oprire de 60 Hz au fost de 26, 525 ohmi. Apoi R5 a fost calculat a fi ½ din R3 și R4. C3 a fost, de asemenea, calculat ca dublu față de valoarea aleasă pentru C1 și C2 [3]. Au fost alese rezistențe arbitrare pentru R1 și R2.

Pasul 4: Circuit combinat

Folosind plase, aceste componente au fost plasate în serie împreună și este prezentată imaginea circuitului finalizat. Potrivit unei lucrări publicate de Springer Science, un câștig acceptabil al circuitului ECG ar trebui să fie de aproximativ 70 dB atunci când întregul circuit este configurat [4].

Pasul 5: Testarea întregului circuit

Când toate componentele au fost plasate într-o serie, a fost necesară validarea proiectului. Testând acest circuit, s-au efectuat atât o trecere tranzitorie, cât și o curgere alternativă pentru a determina dacă toate componentele funcționează la unison. Dacă ar fi cazul, tensiunea de ieșire tranzitorie ar fi în continuare de aproximativ 1000x tensiunea de intrare. La fel, atunci când s-a efectuat măturarea în curent alternativ, ar fi de așteptat un grafic de filtru cu trecere de bandă cu o crestătură la 60 Hz. Privind imaginile din imagine, acest circuit a reușit să realizeze cu succes ambele obiective. Un alt test a fost de a vedea eficiența filtrului de notch. Pentru a testa acest lucru, un semnal de 60 Hz a fost trecut prin circuit. După cum se arată în imagine, magnitudinea acestei ieșiri a fost doar cu aproximativ 5x mai mare decât intrarea, comparativ cu 1000x când frecvența este în banda de trecere.

Pasul 6: Resurse:

[1] „ECG Measurement System”, Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (accesat la 01 decembrie 2020).

[2] L. G. Tereshchenko și M. E. Josephson, „Conținutul de frecvență și caracteristicile conducerii ventriculare”, Journal of electrocardiology, vol. 48, nr. 6, pp. 933–937, 2015, doi: 10.1016 / j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] „Filtrele de oprire a benzii sunt numite filtre de respingere”, tutoriale electronice de bază, 22 mai 2018.

[4] N. Guler și U. Fidan, „Transmisia fără fir a semnalului ECG”, Springer Science, vol. 30, aprilie 2005, doi: 10.1007 / s10916-005-7980-5.