Придобиване, усилване и филтриране на схема на основна електрокардиограма: 6 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:49

За да завършите тази инструкция, единствените необходими неща са компютър, достъп до интернет и някои софтуер за симулация. За целите на този дизайн всички схеми и симулации ще се изпълняват на LTspice XVII. Този симулационен софтуер съдържа библиотеки с над 1 000 компонента, което прави създаването на схеми много лесно. Тъй като тези схеми ще бъдат обобщени, „UniversalOpAmp2“ще се използва за всеки случай, когато е необходим операционен усилвател. Освен това, всеки оп -усилвател се захранва от захранване +15V и -15V. Тези захранвания не само захранват операционния усилвател, но също така изрязват изходното напрежение, ако то достигне някоя от тези две крайности.

Стъпка 1: Дизайн на усилвател на инструменти

След като сигналът е получен, той трябва да бъде усилен, за да извърши изчисления и филтриране по него. За електрокардиограмите най -често срещаният метод за усилване е инструменталният усилвател. Както бе споменато по -горе, инструменталният усилвател има много предимства, когато става въпрос за усилващи схеми, като най -голямото е високият импеданс между входните напрежения. За изграждането на тази схема бяха използвани 3 оп-усилвателя заедно със седем резистора, като шест от резисторите бяха еквивалентни по величина. Усилването на повечето електрокардиограми е около 1000 пъти по -голям от входния сигнал [1]. Уравнението за усилването на инструментален усилвател е следното: Gain = 1 + (2 * R1/R2) * (R7/R6). За простота, всеки резистор се приемаше да е 1000 ома, с изключение на R2, който беше определен за 2 ома. Тези стойности дават печалба 1001 пъти по -голяма от входното напрежение. Това усилване е достатъчно за усилване на получените сигнали за по -нататъшен анализ. Въпреки това, използвайки уравнението, печалбата може да бъде каквото искате за техния дизайн на веригата.

Стъпка 2: Дизайн на филтъра за пропускане на ленти

Лентовият филтър е високочестотен филтър и нискочестотен филтър, работещ обикновено в комбинация с оп-усилвател, за да осигури така наречената пропускателна способност. Пропускателната лента е диапазон от честоти, които могат да преминат, докато всички останали, отгоре и отдолу, се отхвърлят. Индустриалните стандарти посочват, че стандартната електрокардиограма трябва да има пропускателна способност от 0,5 Hz до 150 Hz [2]. Тази голяма пропускателна лента гарантира, че целият електрически сигнал от сърцето се записва и нищо от него не се филтрира. По същия начин тази пропускателна лента отхвърля всяко DC изместване, което би могло да попречи на сигнала. За да се проектира това, трябва да се изберат специфични резистори и кондензатори, така че честотата на прекъсване на високите честоти да е 0,5 Hz, а нискочестотната гранична честота да е 150 Hz. Уравнението на граничната честота както за високочестотния, така и за нискочестотния филтър е следното: Fc = 1/(2*pi*RC). За моите изчисления беше избран произволен резистор, след което с помощта на уравнение 4 беше изчислена стойността на кондензатора. Следователно високочестотният филтър ще има стойност на резистор 100 000 ома и стойност на кондензатор 3,1831 микрофарада. По същия начин, нискочестотният филтър ще има стойност на резистор 100 000 ома и стойност на кондензатор 10,61 нанофарада. Показана е диаграма на лентовия филтър с коригираните стойности.

Стъпка 3: Дизайн на Notch Filter

Филтърът с прорез е по същество противоположен на лентовия филтър. Вместо висок проход, последван от нисък проход, той е нисък проход, последван от висок проход, поради което човек може по същество да премахне една малка лента от шум. За филтъра с прорези на електрокардиограмата е използван дизайн на филтър Twin-T. Този дизайн позволява централна честота да бъде филтрирана и осигурява голям фактор за качество. В този случай централната честота, от която трябва да се отървете, е била 60 Hz. Използвайки уравнение 4, стойностите на резистора бяха изчислени с помощта на дадена стойност на кондензатора от 0,1 микрофарада. Изчислените стойности на резистора за 60 Hz стоп лента са 26, 525 ома. След това се изчислява, че R5 е ½ от R3 и R4. C3 също се изчислява като двойна стойност, избрана за C1 и C2 [3]. За R1 и R2 бяха избрани произволни резистори.

Стъпка 4: Комбинирана верига

С помощта на мрежи тези компоненти бяха поставени последователно заедно и изображението на завършената верига е изобразено. Според документ, публикуван от Springer Science, приемливо усилване на ЕКГ веригата трябва да бъде около 70 dB, когато цялата схема е настроена [4].

Стъпка 5: Тестване на цялата верига

Когато всички компоненти бяха поставени в серия, беше необходимо валидиране на дизайна. Тествайки тази верига, бяха проведени както преходно, така и AC проследяване, за да се определи дали всички компоненти работят в унисон. Ако случаят беше такъв, преходното изходно напрежение щеше да бъде около 1000 пъти по -голямо от входното напрежение. По същия начин, когато се провежда сканиране на променлив ток, би трябвало да се очаква графика на лентата на лентовия филтър с прорез при 60 Hz. Разглеждайки изобразените изображения, тази верига успя успешно да постигне и двете цели. Друг тест беше да се види ефективността на филтъра с прорези. За да се провери това, през веригата беше предаден сигнал от 60 Hz. Както е показано на снимката, величината на този изход е само около 5 пъти по -голяма от входа, в сравнение с 1000 пъти, когато честотата е в пропускателната лента.

Стъпка 6: Ресурси:

[1] „Система за измерване на ЕКГ“, Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (достъпно на 01 декември, г. 2020).

[2] Л. Г. Терещенко и М. Е. Джоузефсън, „Честотно съдържание и характеристики на вентрикуларната проводимост“, Вестник по електрокардиология, кн. 48, не. 6, стр. 933–937, 2015, doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] „Филтрите за спиране на лентата се наричат филтри за отхвърляне“, Основни уроци по електроника, 22 май 2018 г.

[4] Н. Гюлер и У. Фидан, „Безжично предаване на ЕКГ сигнал“, Springer Science, vol. 30, април 2005 г., doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.