Zautomatyzowane EKG: symulacje amplifikacji i filtrowania przy użyciu LTspice: 5 kroków

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

To jest obraz ostatecznego urządzenia, które będziesz budować i bardzo dogłębna dyskusja na temat każdej części. Opisuje również obliczenia dla każdego etapu.

Obraz przedstawia schemat blokowy dla tego urządzenia

Metody i materiały:

Celem tego projektu było opracowanie urządzenia do akwizycji sygnału w celu scharakteryzowania określonego sygnału biologicznego/zebrania odpowiednich danych o sygnale. Dokładniej, zautomatyzowane EKG. Schemat blokowy przedstawiony na rysunku 3 podkreśla proponowany schemat urządzenia. Urządzenie odbierałoby sygnał biologiczny przez elektrodę, a następnie wzmacniało go za pomocą wzmacniacza o wzmocnieniu 1000. Wzmocnienie to jest konieczne, ponieważ sygnał biologiczny będzie mniejszy przy około 5mV, co jest bardzo małe i może być trudne do zinterpretowania [5]. Następnie szum zostanie zredukowany za pomocą filtra pasmowego w celu uzyskania pożądanego zakresu częstotliwości sygnału, 0,5-150 Hz, a następnie nastąpi wycięcie w celu usunięcia normalnego szumu otoczenia spowodowanego przez linie energetyczne znajdujące się w okolicach 50-60 Hz [11]. Na koniec sygnał musi być następnie przekonwertowany na cyfrowy, aby można go było zinterpretować za pomocą komputera, co odbywa się za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego. W tym badaniu skupimy się jednak przede wszystkim na wzmacniaczu, filtrze pasmowym i filtrze wycinającym.

Wzmacniacz, filtr pasmowy i filtr wycinający zostały zaprojektowane i zasymulowane przy użyciu LTSpice. Każda sekcja została najpierw opracowana osobno i przetestowana, aby upewnić się, że działa prawidłowo, a następnie połączona w jeden ostateczny schemat. Wzmacniacz, który widać na rysunku 4, został zaprojektowany i oparty na wzmacniaczu instrumentalnym. Wzmacniacz instrumentalny jest powszechnie używany w EKG, monitorach temperatury, a nawet detektorach trzęsień ziemi, ponieważ może wzmacniać sygnał o bardzo niskim poziomie, jednocześnie odrzucając nadmierny szum. Jest również bardzo łatwy do zmodyfikowania w celu dostosowania do wymaganego wzmocnienia [6]. Pożądane wzmocnienie dla obwodu wynosi 1000 i zostało wybrane, ponieważ sygnał wejściowy z elektrody będzie sygnałem prądu przemiennego o wartości poniżej 5 mV [5] i musi zostać wzmocniony, aby dane były łatwiejsze do interpretacji. Aby uzyskać wzmocnienie 1000, zastosowano równanie (1) GAIN=(1+(R2+R4)/R1)(R6/R3), co dało GAIN=(1+(5000Ω+5000Ω)/101,01Ω)(1000Ω/100Ω) = 1000. W celu potwierdzenia uzyskania prawidłowej wielkości wzmocnienia przeprowadzono test transjentów z użyciem LTspice.

Drugim etapem był filtr pasmowy. Filtr ten można zobaczyć na rysunku 5 i składa się z filtra dolnoprzepustowego, a następnie filtra górnoprzepustowego ze wzmacniaczem operacyjnym pomiędzy nimi, aby zapobiec wzajemnemu znoszeniu się filtrów. Celem tego etapu jest wytworzenie określonego zakresu częstotliwości, który będzie akceptowany przez urządzenie. Pożądany zakres dla tego urządzenia to 0,5 – 150 Hz, ponieważ jest to standardowy zakres dla EKG [6]. Aby osiągnąć ten docelowy zakres, zastosowano równanie (2) częstotliwość graniczna = 1/(2πRC) w celu określenia częstotliwości granicznej zarówno dla filtra górnoprzepustowego, jak i dolnoprzepustowego w paśmie pasmowym. Ponieważ dolna granica zakresu musiała wynosić 0,5 Hz, wartości rezystora filtra górnoprzepustowego i kondensatora obliczono na 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83µF), a przy górnym końcu musiało wynosić 150 Hz, Wartości rezystora filtru przepustowego i kondensatora zostały obliczone na 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1,061µF). Aby potwierdzić, że osiągnięto prawidłowy zakres częstotliwości, przeprowadzono przemiatanie AC przy użyciu LTspice.

Trzecim i ostatnim etapem symulacji jest filtr wycinający, który można zobaczyć na rysunku 6. Filtr wycinający służy jako środek do eliminowania niepożądanego szumu, który pojawia się w środku pożądanego zakresu częstotliwości tworzonego przez pasmo przepustowe. Częstotliwość docelowa w tym przypadku wynosi 60 Hz, ponieważ jest to standardowa częstotliwość linii energetycznej w Stanach Zjednoczonych i powoduje zakłócenia, jeśli nie zostanie rozwiązana [7]. Filtr wycinający wybrany w celu poradzenia sobie z tymi zakłóceniami był podwójnym filtrem wycinającym z dwoma wzmacniaczami operacyjnymi i dzielnikiem napięcia. Pozwoli to sygnałowi nie tylko odfiltrować sygnał bezpośrednio przy docelowej częstotliwości, ale także wprowadzić do systemu zmienne sprzężenie zwrotne, regulowany współczynnik jakości Q i zmienne wyjście dzięki dzielnikowi napięcia, dzięki czemu będzie to aktywny filtr zamiast pasywny [8]. Te dodatkowe czynniki zostały jednak w większości pozostawione nietknięte w początkowych testach, ale zostaną poruszone w przyszłych pracach i sposobach późniejszego ulepszenia projektu. Aby określić środek częstotliwości odrzucania, równanie (3) środkowa częstotliwość odrzucania = 1/(2π)*√(1/(C2*C3*R5*(R3+R4))) = 1/(2π)* Zastosowano √(1/[(0,1*10^-6µF)*(0,1*10^-6µF)(15000Ω)*(26525Ω +26525Ω)]) = 56,420 Hz. Aby potwierdzić, że osiągnięto prawidłową częstotliwość odrzucania, przeprowadzono przemiatanie AC przy użyciu LTspice.

Wreszcie, po przetestowaniu każdego stopnia oddzielnie, trzy stopnie zostały połączone, jak pokazano na rysunku 7. Należy również zauważyć, że wszystkie wzmacniacze operacyjne były zasilane napięciem +15 V i -15 V DC, aby umożliwić znaczne wzmocnienie w razie potrzeby. Następnie wykonano zarówno test przejściowy, jak i przemiatanie AC na zakończonym obwodzie.

Wyniki:

Wykresy dla każdego etapu można znaleźć bezpośrednio pod odpowiednim etapem w sekcji Rysunek w załączniku. W przypadku pierwszego etapu, wzmacniacza instrumentalnego, przeprowadzono test transjentów w obwodzie w celu sprawdzenia, czy wzmocnienie wzmacniacza wynosi 1000. Test trwał od 1 do 1,25 sekundy z maksymalnym krokiem 0,05. Doprowadzone napięcie było falą sinusoidalną prądu przemiennego o amplitudzie 0,005 V i częstotliwości 50 Hz. Zamierzony zysk wynosił 1000 i jak widać na rysunku 4, ponieważ Vout (zielona krzywa) miał amplitudę 5V. Symulowane wzmocnienie zostało obliczone jako: wzmocnienie = Vout/Vin = 5 V/0,005 V = 1000. Dlatego błąd procentowy dla tego stopnia wynosi 0%. Jako wejście dla tej sekcji wybrano 0,005 V, ponieważ będzie ono ściśle powiązane z wejściem otrzymanym z elektrody, jak wspomniano w sekcji metod.

Drugi stopień, filtr pasmowy, miał docelowy zakres 0,5 – 150 Hz. W celu przetestowania filtra i upewnienia się, że zakres jest dopasowany, przeprowadzono dekadę przemiatania AC ze 100 punktami na dekadę w zakresie 0,01 – 1000 Hz. Rysunek 5 pokazuje wyniki z przemiatania AC i potwierdza, że osiągnięto zakres częstotliwości od 0,5 do 150 Hz, ponieważ maksymalne minus 3 dB daje częstotliwość graniczną. Metodę tę ilustruje wykres.

Trzeci stopień, filtr wycinający, został zaprojektowany w celu wyeliminowania szumów występujących w okolicach 60 Hz. Obliczony środek częstotliwości odrzucania wynosił ~56 Hz. Aby to potwierdzić, przeprowadzono dekadę przemiatania AC ze 100 punktami na dekadę od 0,01 do 1000 Hz. Rysunek 6 pokazuje wyniki z przemiatania AC i ilustruje środek częstotliwości odrzucania ~56-59 Hz. Procentowy błąd dla tej sekcji wyniósłby 4,16 %.

Po potwierdzeniu, że każdy pojedynczy stopień działa, trzy stopnie zostały następnie zmontowane, jak pokazano na rysunku 7. Następnie przeprowadzono test przejściowy w celu sprawdzenia wzmocnienia obwodu, a test trwał od 1 do 1,25 sekundy z maksymalnym krokiem 0,05 z napięcie zasilające sinusoidę prądu przemiennego o amplitudzie 0,005 V i częstotliwości 50 Hz. Wynikowy wykres jest pierwszym wykresem na rysunku 7, który pokazuje Vout3 (czerwony), wyjście całego obwodu wynosi 3,865 V, a zatem wzmocnienie = 3,865 V/0,005 V = 773. Jest to znacznie inne niż zamierzone wzmocnienie 1000 i daje błąd 22,7%. Po teście stanów nieustalonych przeprowadzono dekadę przemiatania prądem przemiennym ze 100 punktami na dekadę od 0,01 do 1000 Hz, co dało drugi wykres na rysunku 7. Wykres ten podkreśla zamierzone wyniki i pokazuje filtry pracujące w tandemie, aby wytworzyć filtr, który akceptuje częstotliwości od 0,5-150 Hz ze środkiem odrzucenia od 57,5-58,8 Hz.

Równania:

(1) – wzmocnienie wzmacniacza instrumentacyjnego [6], rezystory względem tych z rysunku 4.

(2) – częstotliwość odcięcia dla filtra dolno/górnoprzepustowego

(3) – dla podwójnego filtra wycinającego [8] rezystory względem tych z rysunku 6.

Krok 1: Wzmacniacz instrumentalny

Etap 1: wzmacniacz instrumentalny

równanie - GAIN=(1+(R2+R4)/R1)(R6/R3)

Krok 2: Bandpass

etap 2: filtr pasmowy

równanie: częstotliwość graniczna= 1/2πRC

Krok 3: Etap 3: Filtr wycinający

etap 3: filtr Twin T Notch

równanie - częstotliwość odrzucania środka = 1/2π √(1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Krok 4: Ostateczny schemat wszystkich etapów razem

Ostateczny schemat z przemiataniem AC i krzywymi przejściowymi

Krok 5: Omówienie urządzenia

Dyskusja:

Wynik z przeprowadzonych powyżej testów wypadł zgodnie z oczekiwaniami dla całego obwodu. Chociaż wzmocnienie nie było idealne i sygnał ulegał nieznacznej degradacji im dalej przechodził przez obwód (co widać na Rysunku 7, wykres 1, gdzie sygnał wzrastał z 0,005V do 5V po pierwszym etapie, a następnie spadał do 4V po drugim a następnie 3,865 V po końcowym etapie), filtr pasmowy i wycinający działały jednak zgodnie z przeznaczeniem i wytwarzały zakres częstotliwości 0,5-150 Hz z usunięciem częstotliwości około 57,5-58,8 Hz.

Po ustaleniu parametrów mojego obwodu porównałem go z dwoma innymi EKG. Bardziej bezpośrednie porównanie z samymi liczbami można znaleźć w Tabeli 1. Przy porównywaniu moich danych z innymi źródłami literatury pojawiły się trzy główne wnioski. Po pierwsze, wzmocnienie w moim obwodzie było znacznie niższe niż w dwóch pozostałych, które porównywałem. Oba obwody źródeł literaturowych osiągnęły wzmocnienie 1000, a w EKG Gawali [9] sygnał został jeszcze wzmocniony 147 razy w stopniu filtracji. Dlatego, mimo że sygnał w moim układzie został wzmocniony o 773 (błąd 22,7% w porównaniu ze standardowym wzmocnieniem) i uznany za wystarczający, aby móc zinterpretować sygnał wejściowy z elektrody [6], to nadal jest skarłowaciały w porównaniu ze standardowym wzmocnieniem. 1000. Jeśli w moim obwodzie miałoby zostać osiągnięte standardowe wzmocnienie, wzmocnienie we wzmacniaczu instrumentalnym musiałoby zostać zwiększone do współczynnika większego niż 1000, aby po zmniejszeniu wzmocnienia po przejściu przez każdy ze stopni filtra w moim obwodzie, nadal ma wzmocnienie co najmniej 1000 lub filtry muszą być wyregulowane, aby zapobiec występowaniu wyższych poziomów spadku napięcia.

Drugim ważnym wnioskiem było to, że wszystkie trzy obwody miały bardzo podobne zakresy częstotliwości. Gawali [9] miał dokładnie ten sam zakres 0,5-150 Hz, podczas gdy Goa [10] miał nieco szerszy zakres 0,05-159 Hz. Obwód Goa miał tę niewielką rozbieżność, ponieważ ten zakres lepiej pasował do karty akwizycji danych, która była używana w ich konfiguracji.

Ostatnim ważnym wnioskiem były różnice w środku częstotliwości tłumienia osiągnięte przez filtry wycinające w każdym obwodzie. Zarówno Gao, jak i mój obwód miały docelową wartość 60 Hz, aby stłumić zakłócenia o częstotliwości linii, które powodowały linie energetyczne, podczas gdy Gawali był ustawiony na 50 Hz. Jednak ta rozbieżność jest w porządku, ponieważ w zależności od lokalizacji na świecie częstotliwość linii energetycznej może wynosić 50 lub 60 Hz. Dlatego dokonano bezpośredniego porównania tylko z obwodem Goa, ponieważ zakłócenia linii energetycznej w Stanach Zjednoczonych wynoszą 60 Hz [11]. Błąd procentowy wynosi 3,08%.