ECG automatizat: simulare de amplificare și filtrare folosind LTspice: 5 pași

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

Aceasta este imaginea dispozitivului final pe care îl veți construi și o discuție foarte aprofundată despre fiecare parte. De asemenea, descrie calculele pentru fiecare etapă.

Imaginea prezintă diagrama bloc pentru acest dispozitiv

Metode și materiale:

Obiectivul acestui proiect a fost dezvoltarea unui dispozitiv de achiziție a semnalului pentru a caracteriza un semnal biologic specific / a colecta date relevante pe semnal. Mai precis, un ECG automat. Diagrama bloc prezentată în Figura 3 evidențiază schema propusă pentru dispozitiv. Dispozitivul ar primi semnalul biologic printr-un electrod și apoi l-ar amplifica folosind un amplificator cu un câștig de 1000. Această amplificare este necesară deoarece semnalul biologic va fi mai mic la aproximativ 5mV, ceea ce este foarte mic și poate fi greu de interpretat [5]. Ulterior, zgomotul ar fi redus folosind un filtru bandpass pentru a obține intervalul de frecvență dorit pentru semnal, 0,5-150 Hz, și apoi va urma o crestătură pentru a elimina zgomotul înconjurător normal cauzat de liniile electrice găsite în jur de 50-60 Hz [11]. În cele din urmă, semnalul trebuie apoi convertit în digital, astfel încât să poată fi interpretat folosind un computer și acest lucru se face cu un convertor analog în digital. Cu toate acestea, în acest studiu, accentul va fi pus în primul rând pe amplificator, filtrul bandpass și filtrul de notch.

Amplificatorul, filtrul bandpass și filtrul de notch au fost proiectate și simulate folosind LTSpice. Fiecare secțiune a fost dezvoltată mai întâi separat și testată pentru a se asigura că au funcționat corect și apoi a fost concatenată într-o singură schemă finală. Amplificatorul, care poate fi văzut în figura 4, a fost proiectat și bazat pe un amplificator instrumental. Un amplificator de instrumentație este utilizat în mod obișnuit în ECG-uri, monitoare de temperatură și chiar detectoare de cutremure, deoarece poate amplifica un nivel foarte scăzut de semnal, respingând în același timp zgomotul în exces. De asemenea, este foarte ușor de modificat pentru a vă ajusta pentru orice câștig este necesar [6]. Câștigul dorit pentru circuit este de 1000 și acest lucru a fost selectat deoarece intrarea de la electrod va fi un semnal de curent alternativ mai mic de 5 mV [5] și trebuie amplificat pentru a face datele mai ușor de interpretat. Pentru a obține un câștig de 1000, a fost utilizată ecuația (1) GAIN = (1+ (R2 + R4) / R1) (R6 / R3), ceea ce a generat GAIN = (1+ (5000Ω + 5000Ω) /101,01Ω) (1000Ω / 100Ω) = 1000. Pentru a confirma cantitatea corectă de amplificare a fost atinsă, s-a efectuat un test tranzitoriu folosind LTspice.

A doua etapă a fost un filtru bandpass. Acest filtru poate fi văzut în Figura 5 și constă dintr-un filtru trece jos și apoi un filtru trece înalt cu un amplificator operațional între ele pentru a împiedica filtrele să se anuleze reciproc. Scopul acestei etape este de a produce o gamă setată de frecvențe care vor fi acceptabile pentru a trece prin dispozitiv. Intervalul dorit pentru acest dispozitiv este de 0,5 - 150 Hz, deoarece acesta este domeniul standard pentru ECG [6]. Pentru a atinge acest domeniu țintă, a fost utilizată ecuația (2) frecvența de întrerupere = 1 / (2πRC) pentru a determina frecvența de întrerupere atât pentru filtrul de trecere înaltă, cât și pentru cel de trecere jos din cadrul trecerii de bandă. Deoarece capătul inferior al intervalului trebuia să fie de 0,5 Hz, rezistența filtrului de trecere înaltă și valorile condensatorului au fost calculate la 0,5 Hz = 1 / (2π * 1000Ω * 318,83µF) și cu capătul superior care trebuie să fie de 150 Hz, Rezistența filtrului de trecere și valorile condensatorului au fost calculate la 150 Hz = 1 / (2π * 1000Ω * 1,061µF). Pentru a confirma că s-a realizat intervalul de frecvență corect, s-a efectuat o curgere alternativă folosind LTspice.

A treia și ultima etapă simulată este filtrul de notch și poate fi văzut în Figura 6. Filtrul de notch servește ca mijloc de eliminare a zgomotului nedorit care apare în mijlocul intervalului de frecvență dorit creat de trecerea de bandă. Frecvența țintă în acest caz este de 60 Hz, deoarece aceasta este frecvența standard a liniei electrice din Statele Unite și cauzează interferențe dacă nu este tratată [7]. Filtrul de crestătură selectat pentru a face față acestei interferențe a fost un filtru de crestătură twin t cu doi amplificatori op și un divizor de tensiune. Acest lucru va permite semnalului să nu numai că filtrează semnalul direct la frecvența țintă, ci și să introducă un feedback variabil în sistem, un factor de calitate ajustabil Q și o ieșire variabilă datorită divizorului de tensiune și, prin urmare, a făcut din acesta un filtru activ în loc de un pasiv [8]. Totuși, acești factori suplimentari au fost lăsați în mare parte neatinși în testele inițiale, dar vor fi abordați în lucrările viitoare și cum să îmbunătățim proiectul ulterior. Pentru a determina centrul frecvenței de respingere, ecuația (3) frecvența de respingere a centrului = 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 a fost utilizat. Pentru a confirma că a fost atinsă frecvența corectă de respingere, s-a executat o curgere alternativă folosind LTspice.

În cele din urmă, după ce fiecare etapă a fost testată separat, cele trei etape au fost combinate așa cum se vede în Figura 7. Trebuie de asemenea remarcat faptul că toate amplificatoarele operaționale au fost furnizate cu o sursă de alimentare de + 15V și -15V DC pentru a permite o amplificare substanțială să apară atunci când este necesar. Apoi, atât un test tranzitoriu, cât și o curățare alternativă au fost efectuate pe circuitul complet.

Rezultate:

Graficele pentru fiecare etapă pot fi găsite direct sub etapa respectivă în secțiunea Figura din anexă. Pentru prima etapă, amplificatorul instrumental, un test tranzitoriu a fost rulat pe circuit pentru a testa pentru a se asigura că câștigul pentru amplificator a fost de 1000. Testul a durat de la 1 - 1,25 secunde cu un pas de timp maxim de 0,05. Tensiunea furnizată a fost o undă sinusoidală CA cu o amplitudine de 0,005 V și o frecvență de 50 Hz. Câștigul intenționat a fost de 1000 și așa cum se vede în Figura 4, deoarece Vout (curba verde) avea o amplitudine de 5V. Câștigul simulat a fost calculat a fi, câștig = Vout / Vin = 5V / 0,005V = 1000. Prin urmare, eroarea procentuală pentru această etapă este de 0%. 0,005V a fost selectat ca intrare pentru această secțiune, deoarece va fi strâns legat de intrarea primită de la un electrod, așa cum se menționează în secțiunea metodelor.

A doua etapă, filtrul bandpass, avea un domeniu țintă de 0,5 - 150 Hz. Pentru a testa filtrul și pentru a vă asigura că gama corespunde, un deceniu, măturarea în curent alternativ a fost rulată cu 100 de puncte pe deceniu de la 0,01 la 1000 Hz. Figura 5 prezintă rezultatele de la curentul alternativ și confirmă faptul că s-a obținut un interval de frecvență de la 0,5 la 150 Hz deoarece maximul minus 3 dB dă frecvența de întrerupere. Această metodă este ilustrată pe grafic.

A treia etapă, filtrul cu crestături, a fost concepută pentru a elimina zgomotul găsit în jurul valorii de 60 Hz. Centrul calculat al frecvenței de respingere a fost de ~ 56 Hz. Pentru a confirma acest lucru, un deceniu, măturarea în curent alternativ a fost rulată cu 100 de puncte pe deceniu de la 0,01 la 1000 Hz. Figura 6 prezintă rezultatele de la curentul alternativ și ilustrează un centru de frecvență de respingere ~ 56-59 Hz. Procentul de eroare pentru această secțiune ar fi de 4,16%.

După confirmarea faptului că fiecare etapă funcționează, cele trei etape au fost apoi asamblate așa cum se vede în Figura 7. Apoi a fost efectuat un test tranzitoriu pentru a verifica amplificarea circuitului și testul a durat de la 1 la 1,25 secunde cu un pas de timp maxim de 0,05 cu un tensiunea alimentată a unei unde sinusoidale CA cu o amplitudine de 0,005 V și o frecvență de 50 Hz. Graficul rezultat este primul grafic din Figura 7 prezintă Vout3 (roșu), ieșirea întregului circuit, fiind de 3.865 V și, prin urmare, face câștigul = 3.865V / 0.005V = 773. Acest lucru este semnificativ diferit de câștigul intenționat de 1000 și dă o eroare de 22,7%. După testul tranzitoriu, un deceniu, măturarea în curent alternativ a fost efectuată cu 100 de puncte pe deceniu de la 0,01 - 1000 Hz și a produs al doilea grafic în Figura 7. Acest grafic evidențiază rezultatele dorite și arată filtrele care lucrează în tandem pentru a produce un filtru care acceptă frecvențe de la 0,5 la 150 Hz cu un centru de respingere de la 57,5-58,8 Hz.

Ecuații:

(1) - câștigul amplificatorului de instrumentație [6], rezistențe față de cele găsite în figura 4.

(2) - frecvența de întrerupere pentru un filtru trece jos / înalt

(3) - pentru filtru cu crestături twin t [8], rezistențe în raport cu cele găsite în Figura 6.

Pasul 1: Amplificator instrumental

Etapa 1: amplificatorul instrumental

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

Pasul 2: Bandpass

etapa 2: filtru bandpass

ecuație: frecvența de întrerupere = 1 / 2πRC

Pasul 3: Etapa 3: Filtru de notch

etapa 3: Filtru Twin T Notch

ecuație - frecvența de respingere a centrului = 1 / 2π √ (1 / (C_2 C_3 R_5 (R_3 + R_4)))

Pasul 4: Schema finală a tuturor etapelor împreună

Schema finală cu curbare alternativă și curbe tranzitorii

Pasul 5: Discutarea dispozitivului

Discuţie:

Rezultatul testelor efectuate mai sus a mers așa cum era de așteptat pentru întregul circuit. Deși amplificarea nu a fost perfectă și semnalul s-a degradat ușor cu cât a trecut mai departe prin circuit (ceea ce se poate vedea în Figura 7, graficul 1 unde semnalul a crescut de la 0,005V la 5V după prima etapă și apoi a scăzut la 4V după a doua și apoi la 3,865 V după etapa finală), banda de trecere și filtrul de notch au funcționat așa cum se intenționează și au produs un interval de frecvență de 0,5-150 Hz cu o eliminare a frecvenței de aproximativ 57,5-58,8 Hz.

După stabilirea parametrilor pentru circuitul meu, l-am comparat apoi cu alte două ECG-uri. O comparație mai directă cu doar numere poate fi găsită în Tabelul 1. Au fost trei oferte majore la compararea datelor mele cu alte surse de literatură. Primul a fost că amplificarea în circuitul meu a fost semnificativ mai mică decât celelalte două pe care le comparam și eu. Ambele circuite ale surselor de literatură au atins o amplificare de 1000, iar în ECG-ul lui Gawali [9], semnalul a fost chiar mai amplificat cu un factor de 147 în etapa de filtrare. Prin urmare, deși semnalul din circuitul meu a fost amplificat cu 773 (22,7% eroare atunci când se compară cu amplificarea standard) și considerat suficient pentru a putea interpreta semnalul de intrare de la electrod [6], totuși a scăzut în comparație cu amplificarea standard. 1000. Dacă ar trebui realizată amplificarea standard în circuitul meu, amplificarea din amplificatorul instrumental ar trebui să fie mărită la un factor mai mare de 1000, astfel încât atunci când câștigul să fie redus după ce a trecut prin fiecare dintre etapele filtrului din circuitul meu, are încă un câștig de cel puțin 1000 sau filtrele trebuie reglate pentru a preveni apariția unor niveluri mai mari de cădere de tensiune.

A doua cea mai importantă plată a fost că toate cele trei circuite aveau game de frecvențe foarte similare. Gawali’s [9] avea exact același interval de 0,5-150 Hz, în timp ce Goa [10] avea un interval ușor mai larg de 0,05-159 Hz. Circuitul Goa a avut această ușoară discrepanță, deoarece acea gamă se potrivea mai bine cu cardul de achiziție de date care era utilizat în configurarea lor.

Ultima plată majoră a fost diferențele în centrul frecvențelor de respingere realizate de filtrele de notch din fiecare circuit. Gao’s și circuitul meu au avut ambele o țintă de 60 Hz pentru a suprima frecvența liniei cauzate de zgomotul liniilor electrice, în timp ce Gawali a fost setat la 50 Hz. Cu toate acestea, această discrepanță este bună, deoarece, în funcție de locația din lume, frecvența liniei electrice poate fi de 50 sau 60 Hz. Prin urmare, s-a făcut o comparație directă doar cu circuitul Goa, deoarece interferența liniilor electrice în Statele Unite este de 60 Hz [11]. Eroarea procentuală este de 3,08%.