Projektowanie obwodu akwizycji, wzmocnienia i filtrowania podstawowego elektrokardiogramu: 6 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:26

Aby wykonać tę instrukcję, potrzebne są tylko komputer, dostęp do Internetu i oprogramowanie symulacyjne. Na potrzeby tego projektu wszystkie obwody i symulacje zostaną uruchomione na LTspice XVII. To oprogramowanie symulacyjne zawiera biblioteki ponad 1000 komponentów, dzięki czemu tworzenie obwodów jest bardzo łatwe. Ponieważ te obwody będą uogólnione, „UniversalOpAmp2” będzie używany w każdym przypadku, w którym potrzebny jest wzmacniacz operacyjny. Dodatkowo każdy wzmacniacz operacyjny był zasilany z zasilacza +15V i -15V. Te zasilacze nie tylko zasilają wzmacniacz operacyjny, ale także obcinają napięcie wyjściowe, jeśli osiągną którekolwiek z tych dwóch ekstremów.

Krok 1: Projekt wzmacniacza oprzyrządowania

Po pozyskaniu sygnału należy go wzmocnić, aby wykonać na nim obliczenia i filtrowanie. W przypadku elektrokardiogramów najczęstszą metodą wzmocnienia jest wzmacniacz instrumentacyjny. Jak wspomniano, wzmacniacz instrumentacyjny ma wiele zalet, jeśli chodzi o obwody wzmacniające, z których największą jest wysoka impedancja między napięciami wejściowymi. Do skonstruowania tego obwodu użyto 3 wzmacniaczy operacyjnych w połączeniu z siedmioma rezystorami, przy czym sześć rezystorów ma równoważną wielkość. Wzmocnienie większości elektrokardiogramów wynosi około 1000x sygnału wejściowego [1]. Równanie na wzmocnienie wzmacniacza instrumentacyjnego jest następujące: Wzmocnienie = 1 + (2*R1/R2) * (R7/R6). Dla uproszczenia przyjęto, że każdy rezystor ma 1000 omów, z wyjątkiem R2, który określono na 2 omy. Wartości te dają wzmocnienie 1001 razy większe niż napięcie wejściowe. To wzmocnienie jest wystarczające do wzmocnienia uzyskanych sygnałów do dalszej analizy. Jednak korzystając z równania, zysk może być dowolny, jeśli chodzi o projekt obwodu.

Krok 2: Projekt filtra pasmowego

Filtr pasmowoprzepustowy to filtr górnoprzepustowy i filtr dolnoprzepustowy współpracujący zwykle ze wzmacniaczem operacyjnym w celu zapewnienia tzw. pasma przepustowego. Pasmo przepuszczania to zakres częstotliwości, które mogą przepuszczać, podczas gdy wszystkie inne, powyżej i poniżej, są odrzucane. Standardy branżowe stwierdzają, że standardowy elektrokardiogram musi mieć pasmo przenoszenia od 0,5 Hz do 150 Hz [2]. To szerokie pasmo przepustowe zapewnia, że cały sygnał elektryczny z serca jest rejestrowany i żaden z nich nie jest odfiltrowywany. Podobnie to pasmo przepuszczania odrzuca wszelkie przesunięcia DC, które mogłyby zakłócać sygnał. Aby to zaprojektować, należy dobrać określone rezystory i kondensatory tak, aby częstotliwość odcięcia górnoprzepustowego wynosiła 0,5 Hz, a częstotliwość odcięcia dolnoprzepustowego wynosiła 150 Hz. Równanie częstotliwości odcięcia dla filtra górnoprzepustowego i dolnoprzepustowego jest następujące: Fc = 1/(2*pi*RC). Do moich obliczeń wybrano dowolny rezystor, a następnie za pomocą równania 4 obliczono wartość kondensatora. Dlatego filtr górnoprzepustowy będzie miał wartość rezystora 100 000 omów i wartość kondensatora 3,1831 mikrofaradów. Podobnie filtr dolnoprzepustowy będzie miał wartość rezystora 100 000 omów i wartość kondensatora 10,61 nanofaradów. Przedstawiony jest schemat filtra pasmowego z nastawionymi wartościami.

Krok 3: Projekt filtra wycinającego

Filtr wycinający jest zasadniczo przeciwieństwem filtra pasmowego. Zamiast górnoprzepustowego, po którym następuje dolnoprzepustowy, jest to dolnoprzepustowy, po którym następuje górnoprzepustowy, dlatego można zasadniczo wyeliminować jedno małe pasmo szumu. W przypadku filtra wycinającego elektrokardiogramu zastosowano konstrukcję filtra wycinającego Twin-T. Taka konstrukcja pozwala na filtrowanie częstotliwości środkowej i zapewnia wysoki współczynnik jakości. W tym przypadku częstotliwość środkowa, której należy się pozbyć, wynosiła 60 Hz. Stosując równanie 4, wartości rezystorów obliczono przy użyciu danej wartości kondensatora wynoszącej 0,1 mikrofaradów. Obliczone wartości rezystora dla pasma zatrzymania 60 Hz wyniosły 26 525 omów. Następnie obliczono, że R5 wynosi ½ R3 i R4. C3 obliczono również jako dwukrotność wartości wybranej dla C1 i C2 [3]. Rezystory arbitralne zostały wybrane dla R1 i R2.

Krok 4: Obwód kombinowany

Za pomocą siatek elementy te zostały połączone szeregowo i przedstawiono obraz ukończonego obwodu. Zgodnie z artykułem opublikowanym przez Springer Science, akceptowalne wzmocnienie obwodu EKG powinno wynosić około 70 dB, gdy cały obwód jest skonfigurowany [4].

Krok 5: Testowanie całego obwodu

Kiedy wszystkie komponenty zostały umieszczone w serii, potrzebna była walidacja projektu. Testując ten obwód, przeprowadzono zarówno przemiatanie przejściowe, jak i przemiatanie AC, aby określić, czy wszystkie komponenty działają zgodnie. Gdyby tak było, przejściowe napięcie wyjściowe nadal byłoby około 1000 razy większe niż napięcie wejściowe. Podobnie, gdy przeprowadzono przemiatanie prądem przemiennym, należałoby oczekiwać wykresu bode filtru pasmowego z wycięciem przy 60 Hz. Patrząc na przedstawione obrazy, obwód ten był w stanie z powodzeniem osiągnąć oba te cele. Kolejnym testem było sprawdzenie skuteczności filtra wycinającego. Aby to przetestować, przez obwód przepuszczono sygnał o częstotliwości 60 Hz. Jak na zdjęciu, wielkość tego wyjścia była tylko około 5 razy większa niż wejście, w porównaniu do 1000x, gdy częstotliwość mieści się w paśmie przepuszczania.

Krok 6: Zasoby:

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

[2] L. G. Tereshchenko i M. E. Josephson, „Treść częstotliwości i charakterystyka przewodzenia komorowego”, Journal of Electrocardiology, tom. 48, nie. 6, s. 933–937, 2015, doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] „Filtry pasmowe nazywane są filtrami odrzucającymi”, samouczki Basic Electronics, 22 maja 2018 r.

[4] N. Guler i U. Fidan, „Bezprzewodowa transmisja sygnału EKG”, Springer Science, tom. 30 kwietnia 2005, doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.