Načrt vezja za pridobivanje, ojačanje in filtriranje osnovnega elektrokardiograma: 6 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:02

Za dokončanje tega navodila so potrebni le računalnik, dostop do interneta in nekaj simulacijske programske opreme. Za namene te zasnove bodo vsa vezja in simulacije izvedeni na LTspice XVII. Ta simulacijska programska oprema vsebuje knjižnice z več kot 1.000 komponentami, kar olajša ustvarjanje vezij. Ker bodo ta vezja posplošena, bo "UniversalOpAmp2" uporabljen za vsak primerek, kjer je potreben op-amp. Poleg tega se je vsak op -amp napajal z napajanjem +15V in -15V. Ti napajalniki ne samo napajajo op-amp, ampak tudi posnemajo izhodno napetost, če bi dosegli katerega od teh dveh ekstremov.

1. korak: Oblikovanje instrumentacijskega ojačevalnika

Ko je signal pridobljen, ga je treba ojačati za izračune in filtriranje. Za elektrokardiograme je najpogostejša metoda ojačevanja instrumentacijski ojačevalnik. Kot že omenjeno, ima instrumentacijski ojačevalnik številne prednosti pri ojačevalnih vezjih, največja pa je visoka impedanca med vhodnimi napetostmi. Za izdelavo tega vezja so bili v povezavi s sedmimi upori uporabljeni 3 op-ojačevalniki, pri čemer je bilo šest uporov enakovrednih po velikosti. Dobiček večine elektrokardiogramov je približno 1000x vhodni signal [1]. Enačba za dobiček instrumentacijskega ojačevalnika je naslednja: Gain = 1 + (2 * R1/R2) * (R7/R6). Zaradi poenostavitve je bilo za vsak upor predvideno 1000 ohmov, razen za R2, ki je bil določen za 2 ohma. Te vrednosti dajejo dobiček 1001 -krat večji od vhodne napetosti. Ta dobiček zadostuje za ojačanje pridobljenih signalov za nadaljnjo analizo. Vendar pa je z uporabo enačbe dobiček lahko karkoli želi za njihovo zasnovo vezja.

2. korak: Oblikovanje filtra za pasovni prehod

Pasovni filter je visokoprepustni filter in nizkoprepustni filter, ki običajno delujeta z op-amp-om, da zagotovita tisto, kar je znano kot pasovni pas. Pasovni pas je niz frekvenc, ki lahko preidejo, medtem ko se vse druge, zgoraj in spodaj, zavrnejo. Industrijski standardi navajajo, da mora standardni elektrokardiogram imeti pasovni pas od 0,5 Hz do 150 Hz [2]. Ta velika pasovna širina zagotavlja, da se zabeleži ves električni signal iz srca in nič od tega ne izloči. Podobno ta pasovni pas zavrača kakršen koli odmik DC, ki bi lahko motil signal. Za to je treba izbrati posebne upore in kondenzatorje, tako da je visokoprehodna mejna frekvenca 0,5 Hz, nizkoprehodna mejna frekvenca pa 150 Hz. Enačba mejne frekvence za visokoprehodni in nizkoprepustni filter je naslednja: Fc = 1/(2*pi*RC). Za moje izračune je bil izbran poljuben upor, nato pa smo z enačbo 4 izračunali vrednost kondenzatorja. Zato bo visokoprepustni filter imel upor vrednost 100 000 ohmov in vrednost kondenzatorja 3,1831 mikrofarad. Podobno bo imel nizkoprepustni filter upor 100 000 ohmov in vrednost kondenzatorja 10,61 nanofaradov. Prikazan je diagram pasovnega filtra s prilagojenimi vrednostmi.

Korak: Zasnova filtra z zarezo

Zarezni filter je v bistvu nasprotje pasovnega filtra. Namesto visokega prehoda, ki mu sledi nizki prehod, je nizki prelaz, ki mu sledi visoki prehod, zato je mogoče v bistvu odpraviti en majhen pas hrupa. Za zarezni filter elektrokardiograma smo uporabili zasnovo filtra z zarezo Twin-T. Ta zasnova omogoča filtriranje osrednje frekvence in zagotavlja velik faktor kakovosti. V tem primeru je bila srednja frekvenca, ki se je je treba znebiti, pri 60 Hz. Z enačbo 4 so bile vrednosti upora izračunane z dano vrednostjo kondenzatorja 0,1 mikrofarad. Izračunane vrednosti upora za 60 Hz stop pas so bile 26, 525 ohmov. Nato je bilo izračunano, da je R5 ½ R3 in R4. C3 je bil izračunan tudi kot dvojna vrednost, izbrana za C1 in C2 [3]. Za R1 in R2 so bili izbrani poljubni upori.

4. korak: Kombinirano vezje

S pomočjo mrež smo te komponente skupaj postavili skupaj in na sliki je slika dokončanega vezja. Glede na članek, ki ga je objavila družba Springer Science, bi moral biti sprejemljiv dobiček EKG vezja okoli 70 dB, ko je celotno vezje nastavljeno [4].

5. korak: Preizkusite celotno vezje

Ko so bile vse komponente postavljene v niz, je bila potrebna potrditev zasnove. Pri preskušanju tega vezja sta bila izvedena prehodna in izmenična preiskava, da bi ugotovili, ali vse komponente delujejo usklajeno. Če bi bilo tako, bi bila prehodna izhodna napetost še vedno približno 1000x vhodna napetost. Podobno bi bilo pri izvajanju izmeničnega tokokroga pričakovano območje pasovnega pasovnega filtra z zarezo pri 60 Hz. Če pogledamo slike na sliki, je to vezje uspelo doseči oba cilja. Drugi test je bil preveriti učinkovitost filtra z zarezo. Če želite to preveriti, je skozi vezje prešel signal 60 Hz. Kot je prikazano na sliki, je bila velikost tega izhoda le približno 5x večja od vhoda, v primerjavi s 1000x, ko je frekvenca v pasu pasov.

6. korak: Viri:

[1] "Merilni sistem EKG", Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (dostop do 1. decembra, 2020).

[2] L. G. Tereshchenko in M. E. Josephson, »Frekvenčna vsebina in značilnosti ventrikularne prevodnosti,« Journal of electrocardiology, vol. 48, ne. 6, str. 933–937, 2015, doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] »Filtri za zaustavitev pasu se imenujejo filtri za zavrnitev«, Osnovni tečaji o elektroniki, 22. maj 2018.

[4] N. Guler in U. Fidan, »Brezžični prenos signala EKG«, Springer Science, letn. 30. april 2005, doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.