Автоматизирана ЕКГ: усилване и симулации на филтри с помощта на LTspice: 5 стъпки

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

Това е картината на последното устройство, което ще изградите, и много задълбочена дискусия за всяка част. Описани са и изчисленията за всеки етап.

Изображението показва блокова диаграма за това устройство

Методи и материали:

Целта на този проект беше да се разработи устройство за улавяне на сигнал, за да се характеризира специфичен биологичен сигнал/да се събират съответните данни за сигнала. По -конкретно, автоматизирана ЕКГ. Блоковата диаграма, показана на фигура 3, подчертава предложената схема за устройството. Устройството ще получи биологичния сигнал чрез електрод и след това ще го усили с помощта на усилвател с усилване 1000. Това усилване е необходимо, тъй като биологичният сигнал ще бъде по -малък при около 5mV, което е много малко и може да бъде трудно интерпретирано [5]. След това шумът ще бъде намален с помощта на лентов филтър, за да се получи желаният честотен диапазон за сигнала, 0.5-150 Hz, а след това ще последва прорез, за да се премахне нормалният околен шум, причинен от електропроводи, открити около 50-60 Hz [11]. И накрая, тогава сигналът трябва да се преобразува в цифров, така че да може да се интерпретира с помощта на компютър и това става с аналогово -цифров преобразувател. В това изследване обаче фокусът ще бъде основно върху усилвателя, лентовия филтър и филтъра с прорези.

Усилвателят, лентовият филтър и филтърът с прорез са проектирани и симулирани с помощта на LTSpice. Всяка секция първо беше разработена поотделно и тествана, за да се увери, че работят правилно и след това се обединява в една последна схема. Усилвателят, който може да се види на фигура 4, е проектиран и базиран на инструментален усилвател. Инструментален усилвател обикновено се използва в ЕКГ, температурни монитори и дори детектори на земетресения, защото може да усили много ниско ниво на сигнал, като същевременно отхвърли излишния шум. Също така е много лесно да се модифицира, за да се коригира за необходимото усилване [6]. Желаното усилване за веригата е 1000 и това е избрано, тъй като входът от електрода ще бъде AC сигнал по -малък от 5 mV [5] и трябва да бъде усилен, за да се улеснят интерпретацията на данните. За да се получи печалба от 1000, беше използвано уравнение (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3), което следователно даде GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω)/101.01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. За да се потвърди, че е постигнато правилното количество усилване, беше извършен преходен тест с помощта на LTspice.

Вторият етап беше лентов филтър. Този филтър може да се види на фигура 5 и се състои от нискочестотен и след това високочестотен филтър с операционен усилвател между тях, за да се предотврати взаимното премахване на филтрите. Целта на този етап е да се създаде определен диапазон от честоти, които ще бъдат приемливи за преминаване през устройството. Желаният диапазон за това устройство е 0,5 - 150 Hz, тъй като това е стандартният диапазон за ЕКГ [6]. За да се постигне този целеви диапазон, се използва уравнение (2) гранична честота = 1/(2πRC), за да се определи граничната честота както за високочестотния, така и за нискочестотния филтър в рамките на честотната лента. Тъй като долният край на обхвата трябваше да бъде 0,5 Hz, стойностите на високопропускащия филтър на резистора и кондензатора бяха изчислени на 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83 μF) и с горния край, който трябва да бъде 150 Hz, ниският стойностите на резистора на проходния филтър и кондензатора са изчислени на 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1.061µF). За да се потвърди, че е постигнат правилният честотен диапазон, беше извършена промяна на AC с помощта на LTspice.

Третият и последен симулиран етап е филтърът с прорези и може да се види на фигура 6. Филтърът с прорези служи като средство за премахване на нежелания шум, който се появява в средата на желания честотен диапазон, създаден от честотната лента. Целевата честота в този случай е 60 Hz, тъй като това е стандартната честота на електропровода в Съединените щати и причинява смущения, ако не се вземе предвид [7]. Филтърът с прорези, избран за справяне с тази намеса, беше филтър с двойна прореза с два оп усилвателя и делител на напрежение. Това ще позволи на сигнала не само да филтрира сигнала директно на целевата честота, но и да въведе променлива обратна връзка в системата, регулируем коефициент на качество Q и променлив изход благодарение на делителя на напрежението и затова направи това активен филтър вместо пасивен [8]. Тези допълнителни фактори обаче бяха оставени недокоснати в първоначалните тестове, но ще бъдат засегнати в бъдещите работи и как по -късно да се подобри проектът. За да се определи центъра на честотата на отхвърляне, уравнение (3) централна честота на отхвърляне = 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 беше използван. За да се потвърди, че е постигната правилната честота на отхвърляне, беше извършено AC прочистване с помощта на LTspice.

И накрая, след като всеки етап беше тестван поотделно, трите етапа бяха комбинирани, както се вижда на фигура 7. Трябва също така да се отбележи, че всички операционни усилватели се доставят с +15V и -15V DC захранване, за да се даде възможност за значително усилване да се случи, когато е необходимо. След това на завършената верига бяха извършени както преходен тест, така и AC прочистване.

Резултати:

Графиките за всеки етап могат да бъдат намерени директно под съответния етап в раздела Фигура в приложението. За първия етап, инструменталният усилвател, беше извършен преходен тест по веригата, за да се провери дали печалбата за усилвателя е 1000. Тестът продължи от 1 - 1,25 секунди с максимална стъпка от време 0,05. Доставеното напрежение е синусоидална променлива вълна с амплитуда 0,005 V и честота 50 Hz. Предвиденото усилване е 1000 и както се вижда на фигура 4, тъй като Vout (зелената крива) има амплитуда от 5V. Симулираната печалба се изчислява като, печалба = Vout/Vin = 5V/0.005V = 1000. Следователно процентът грешка за този етап е 0%. 0.005V е избран като вход за този раздел, тъй като той ще бъде тясно свързан с входа, получен от електрод, както е споменато в раздела за методите.

Вторият етап, лентовият филтър, имаше целеви диапазон от 0,5 - 150 Hz. За да се тества филтърът и да се гарантира, че обхватът е съвпадащ, десетилетие се провежда AC прочистване със 100 точки на десетилетие от 0,01 - 1000 Hz. Фигура 5 показва резултатите от променливотоковото сканиране и потвърждава, че е постигнат честотен диапазон от 0,5 до 150 Hz, тъй като максималният минус 3 dB дава граничната честота. Този метод е илюстриран на графиката.

Третият етап, назъбен филтър, е проектиран да елиминира шума, открит около 60 Hz. Изчисленият център на честотата на отхвърляне е ~ 56 Hz. За да се потвърди това, едно десетилетие се провежда AC прочистване със 100 точки на десетилетие от 0,01 - 1000 Hz. Фигура 6 показва резултатите от сканирането на променлив ток и илюстрира център на честота на отхвърляне ~ 56-59 Hz. Процентът грешка за този раздел би бил 4,16 %.

След като потвърдиха, че всеки отделен етап работи, трите етапа бяха сглобени, както се вижда на фигура 7. След това беше проведено преходно изпитване за проверка на усилването на веригата и тестът продължи от 1 - 1.25 секунди с максимална стъпка от време 0.05 с захранващо напрежение на AC синусоида с амплитуда 0,005 V и честота 50 Hz. Получената графика е първата графика на Фигура 7 показва Vout3 (червено), изходът на цялата верига е 3.865 V и следователно прави печалбата = 3.865V/0.005V = 773. Това е значително различно от планираното усилване от 1000 и дава грешка от 22,7%. След преходното изпитване, десетилетие, AC сканирането се изпълняваше със 100 точки на десетилетие от 0,01 - 1000 Hz и генерира втората графика на фигура 7. Тази графика подчертава очакваните резултати и показва филтрите, работещи в тандем, за да създадат филтър, който приема честоти от 0.5-150 Hz с център на отхвърляне от 57.5-58.8 Hz.

Уравнения:

(1) - усилване на измервателния усилвател [6], резистори спрямо тези, намерени на фигура 4.

(2) - гранична честота за ниско/високочестотен филтър

(3) - за филтър с двойна резба [8], резистори спрямо тези, намерени на фигура 6.

Стъпка 1: Инструментален усилвател

Етап 1: инструментален усилвател

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

Стъпка 2: Bandpass

етап 2: лентов филтър

уравнение: гранична честота = 1/2πRC

Стъпка 3: Етап 3: Notch Filter

етап 3: Twin T Notch филтър

уравнение - честота на отхвърляне на центъра = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Стъпка 4: Окончателна схема на всички етапи заедно

Окончателна схема със сканиране на променлив ток и преходни криви

Стъпка 5: Обсъждане на устройството

Дискусия:

Резултатът от проведените по -горе тестове се очакваше за веригата като цяло. Въпреки че усилването не беше перфектно и сигналът се влоши леко, колкото по -нататък премина през веригата (което може да се види на фигура 7, графика 1, където сигналът се увеличава от 0,005V на 5V след първия етап и след това намалява до 4V след втория и след това 3.865V след последния етап), лентовият проход и филтърът с прорези работеха по предназначение и произвеждаха честотен диапазон от 0.5-150 Hz с отстраняване на честота около 57.5-58.8 Hz.

След като установих параметрите за моята верига, след това я сравних с две други ЕКГ. По -директно сравнение само с числа може да се намери в Таблица 1. Имаше три основни извода, когато сравнявах моите данни с други източници на литература. Първият беше, че усилването в моята схема беше значително по -ниско от другите две, които също сравнявах. И двете вериги на литературните източници постигнаха усилване от 1000, а в ЕКГ на Гавали [9], сигналът беше допълнително усилен с коефициент 147 на етапа на филтъра. Следователно, въпреки че сигналът в моята верига беше усилен със 773 (грешка от 22,7% в сравнение със стандартното усилване) и се считаше за достатъчно, за да може да интерпретира входния сигнал от електрода [6], той все пак е по -малък от стандартното усилване 1000. Ако трябваше да се постигне стандартно усилване в моята верига, усилването в инструменталния усилвател трябва да се увеличи до коефициент по -голям от 1000, така че когато усилването се намали след преминаване през всеки от етапите на филтъра в моята верига, той все още има усилване от поне 1000 или филтрите трябва да бъдат регулирани, за да се предотврати появата на по -високи нива на спадане на напрежението.

Второто важно решение е, че и трите вериги имат много сходни честотни диапазони. Gawali [9] имаше точно същия диапазон от 0.5-150 Hz, докато Goa [10] имаше малко по-широк диапазон от 0.05-159 Hz. Веригата на Гоа имаше това леко разминаване, тъй като този диапазон по -добре отговаряше на картата за събиране на данни, която се използваше в тяхната настройка.

Последното голямо изнасяне бяха разликите в центъра на честотите на отхвърляне, постигнати от филтрите с прорези във всяка верига. И Гао, и моята верига имаха цел от 60 Hz, за да потиснат шумът на линейната честота, причинен от електропроводи, докато Gawali беше настроен на 50 Hz. Това разминаване обаче е добре, тъй като в зависимост от местоположението в света честотата на електропровода може да бъде 50 или 60 Hz. Следователно беше направено директно сравнение само с веригата на Гоа, тъй като смущенията в електропровода в САЩ са 60 Hz [11]. Процентът грешка е 3.08%.