Anskaffelse, forsterkning og filtreringskretsdesign av et grunnleggende elektrokardiogram: 6 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:20

For å fullføre dette instruerbare, er de eneste tingene som trengs en datamaskin, internettilgang og noe simuleringsprogramvare. I forbindelse med denne designen vil alle kretser og simuleringer bli kjørt på LTspice XVII. Denne simuleringsprogramvaren inneholder biblioteker med over 1 000 komponenter, noe som gjør det enkelt å lage kretser. Fordi disse kretsene vil bli generalisert, vil "UniversalOpAmp2" bli brukt for alle tilfeller der en op-amp er nødvendig. I tillegg ble hver op -forsterker drevet av en +15V og -15V strømforsyning. Disse strømforsyningene driver ikke bare op-forsterkeren, men klipper også utgangsspenningen hvis den skulle nå en av de to ekstremene.

Trinn 1: Instrumenteringsforsterkerdesign

Etter at signalet er oppnådd, må det forsterkes for å utføre beregninger og filtrere på det. For elektrokardiogrammer er den vanligste forsterkningsmetoden instrumenteringsforsterkeren. Som nevnt ovenfor har instrumenteringsforsterkeren mange fordeler når det gjelder forsterkningskretser, den største er den høye impedansen mellom inngangsspenningene. For å konstruere denne kretsen ble 3 op-ampere brukt i forbindelse med syv motstander, hvorav seks av motstandene var like store. Gevinsten for de fleste elektrokardiogrammer er rundt 1000 ganger inngangssignalet [1]. Likningen for forsterkningen til en instrumenteringsforsterker er som følger: Gain = 1 + (2 * R1/R2) * (R7/R6). For enkelhets skyld ble hver motstand antatt å være 1000 ohm, bortsett fra R2, som var bestemt til å være 2 ohm. Disse verdiene gir en gevinst på 1001 ganger større enn inngangsspenningen. Denne gevinsten er tilstrekkelig til å forsterke de ervervede signalene for videre analyse. Ved å bruke ligningen kan gevinsten imidlertid være hva man vil for deres kretsdesign.

Trinn 2: Band Pass Filter Design

Et båndpassfilter er et høypassfilter og et lavpassfilter som fungerer i koordinasjon, vanligvis med en op-amp for å gi det som kalles et passband. Et passbånd er et frekvensområde som kan passere mens alle andre, over og under, blir avvist. Bransjestandarder sier at et standard elektrokardiogram må ha et passbånd fra 0,5 Hz til 150 Hz [2]. Dette store passbåndet sikrer at alt det elektriske signalet fra hjertet blir registrert og at ingenting av det filtreres bort. På samme måte avviser dette passbåndet enhver DC -forskyvning som kan forstyrre signalet. For å designe dette må spesifikke motstander og kondensatorer velges slik at høypass -cutoff -frekvensen er på 0,5 Hz og lavpass -cutoff -frekvensen er på 150 Hz. Cutoff -frekvensligningen for både høy- og lavpassfilteret er som følger: Fc = 1/(2*pi*RC). For mine beregninger ble en vilkårlig motstand valgt, deretter ved bruk av ligning 4 ble en kondensatorverdi beregnet. Derfor vil høypassfilteret ha en motstandsverdi på 100.000 ohm og en kondensatorverdi på 3.1831 mikrofarader. På samme måte vil lavpassfilteret ha en motstandsverdi på 100 000 ohm og en kondensatorverdi på 10,61 nano-farads. Et diagram over båndpassfilteret med de justerte verdiene vises.

Trinn 3: Hakkfilterdesign

Et hakkfilter er i hovedsak det motsatte av et båndpassfilter. I stedet for å ha en høy pass etterfulgt av en lav pass, er det en lav pass etterfulgt av en høy pass, derfor kan man i hovedsak eliminere et lite bånd av støy. For hakkfilteret til elektrokardiogrammet ble det brukt et Twin-T hakkfilterdesign. Denne konstruksjonen gjør at en senterfrekvens kan filtreres og gir en stor kvalitetsfaktor. I dette tilfellet var senterfrekvensen å bli kvitt ved 60 Hz. Ved bruk av ligning 4 ble motstandsverdiene beregnet ved bruk av en gitt kondensatorverdi på 0,1 mikrofarad. De beregnede motstandsverdiene for et 60 Hz stoppbånd var 26, 525 ohm. Deretter ble R5 beregnet til å være ½ av R3 og R4. C3 ble også beregnet som dobbel verdi valgt for C1 og C2 [3]. Vilkårlige motstander ble valgt for R1 og R2.

Trinn 4: Kombinasjonskrets

Ved hjelp av garn ble disse komponentene plassert i serie sammen og bildet av den ferdige kretsen er avbildet. Ifølge et papir publisert av Springer Science, bør en akseptabel forsterkning av EKG -kretsen være rundt 70 dB når hele kretsen er satt opp [4].

Trinn 5: Testing av hele kretsen

Når alle komponentene ble plassert i en serie, var det nødvendig med validering av designet. Ved test av denne kretsen ble både en transient og vekselstrømsmåling utført for å avgjøre om alle komponentene fungerte i kor. Hvis dette var tilfellet, ville den forbigående utgangsspenningen fortsatt være omtrent 1000 ganger inngangsspenningen. På samme måte, når AC-feiingen ble utført, ville et band-pass filter bode-plot forventes med et hakk på 60 Hz. Når vi så på bildene på bildet, var denne kretsen i stand til å oppnå begge disse målene. En annen test var å se effektiviteten til hakkfilteret. For å teste dette ble et 60 Hz signal sendt gjennom kretsen. Som vist var størrelsen på denne utgangen bare omtrent 5x større enn inngangen, sammenlignet med 1000x når frekvensen er innenfor passbåndet.

Trinn 6: Ressurser:

[1] “EKG -målesystem”, Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (åpnet 01. desember, 2020).

[2] L. G. Tereshchenko og M. E. Josephson, "Frequency Content and Characteristics of Ventricular Conduction," Journal of electrocardiology, vol. 48, nei. 6, s. 933–937, 2015, doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] “Band Stop-filtre kalles Avvis filtre,” Basic Electronics Tutorials, 22. mai 2018.

[4] N. Guler og U. Fidan, "Trådløs overføring av EKG -signal", Springer Science, vol. 30, april 2005, doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.