Automatisert EKG: Forsterkning og filtersimuleringer ved bruk av LTspice: 5 trinn

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

Dette er bildet av den siste enheten du skal bygge og en veldig grundig diskusjon om hver del. Beskriver også beregningene for hvert trinn.

Bildet viser blokkdiagram for denne enheten

Metoder og materialer:

Målet med dette prosjektet var å utvikle en signalinnsamlingsenhet for å karakterisere et spesifikt biologisk signal/samle relevante data på signalet. Nærmere bestemt et automatisert EKG. Blokkediagrammet vist i figur 3 fremhever den foreslåtte skjematikken for enheten. Enheten ville motta det biologiske signalet via en elektrode og deretter forsterke det ved hjelp av en forsterker med en forsterkning på 1000. Denne forsterkningen er nødvendig siden det biologiske signalet vil være mindre på omtrent 5mV, som er veldig lite og kan være vanskelig å tolke [5]. Etterpå ville støy reduseres ved hjelp av et båndpassfilter for å få ønsket frekvensområde for signalet, 0,5-150 Hz, og deretter ville et hakk følge for å fjerne den normale omgivende støyen forårsaket av kraftledninger funnet rundt 50-60 Hz [11]. Til slutt må signalet deretter konverteres til digitalt slik at det kan tolkes ved hjelp av en datamaskin, og dette gjøres med en analog til digital omformer. I denne studien vil fokus imidlertid først og fremst være på forsterkeren, båndpassfilteret og hakkfilteret.

Forsterkeren, båndpassfilteret og hakkfilteret ble alle designet og simulert ved hjelp av LTSpice. Hver seksjon ble først utviklet separat og testet for å sikre at de fungerte skikkelig og deretter koblet sammen til en siste skjematisk. Forsterkeren, som kan sees i figur 4, ble designet og basert på en instrumental forsterker. En instrumenteringsforsterker brukes ofte i EKG, temperaturmonitorer og til og med jordskjelvdetektorer fordi den kan forsterke et meget lavt signalnivå mens den avviser overflødig støy. Det er også veldig enkelt å endre for å justere for den gevinsten som trengs [6]. Ønsket forsterkning for kretsen er 1000, og denne ble valgt siden inngangen fra elektroden vil være et AC -signal mindre enn 5 mV [5] og må forsterkes for å gjøre dataene lettere å tolke. For å få en gevinst på 1000 ble ligning (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3) brukt som derfor ga GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω) /101.01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. For å bekrefte riktig mengde forsterkning ble oppnådd, ble en forbigående test utført ved bruk av LTspice.

Den andre fasen var et båndpassfilter. Dette filteret kan sees på figur 5 og består av et lavpass og deretter et høypassfilter med en operasjonsforsterker i mellom for å forhindre at filtrene avbryter hverandre. Formålet med dette stadiet er å produsere et angitt frekvensområde som vil være akseptabelt å passere gjennom enheten. Ønsket område for denne enheten er 0,5 - 150 Hz siden dette er standardområdet for EKG [6]. For å nå dette målområdet ble ligning (2) cutoff -frekvens = 1/(2πRC) brukt for å bestemme cutoff -frekvensen for både høy- og lavpassfilteret i båndpasset. Siden den nedre enden av området måtte være 0,5 Hz, ble høypassfiltermotstanden og kondensatorverdiene beregnet til 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83µF) og med øvre ende som måtte være 150 Hz, den lave passfiltermotstand og kondensatorverdier ble beregnet til å være 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1.061µF). For å bekrefte at det riktige frekvensområdet ble oppnådd, ble det kjørt et vekselstrømssvep med LTspice.

Det tredje og siste simulerte trinnet er hakkfilteret og kan sees på figur 6. Hakkfilteret fungerer som et middel for å eliminere uønsket støy som oppstår i midten av det ønskede frekvensområdet som er opprettet av båndpasset. Målfrekvensen i dette tilfellet er 60 Hz siden det er standard strømlinjefrekvens i USA og forårsaker forstyrrelser hvis den ikke behandles [7]. Hakkfilteret som ble valgt for å håndtere denne forstyrrelsen, var et hakkfilter med to t med to forsterkere og en spenningsdeler. Dette vil tillate at signalet ikke bare filtrerer ut signalet direkte ved målfrekvensen, men også innfører en variabel tilbakemelding i systemet, en justerbar kvalitetsfaktor Q og variabel utgang takket være spenningsdeleren og derfor gjorde dette til et aktivt filter i stedet for en passiv [8]. Disse ekstra faktorene ble imidlertid stort sett urørt i de første testene, men vil bli berørt i fremtidige arbeider og hvordan vi kan forbedre prosjektet senere. For å bestemme sentrum for avvisningsfrekvensen, er ligning (3) senteravvisningsfrekvens = 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 ble benyttet. For å bekrefte at den riktige avvisningsfrekvensen ble oppnådd, ble det utført en AC -feiing med LTspice.

Til slutt, etter at hvert trinn ble testet separat, ble de tre trinnene kombinert som vist i figur 7. Det skal også bemerkes at alle op -forsterkere ble utstyrt med en +15V og -15V likestrøm for å muliggjøre betydelig forsterkning skal skje når det er nødvendig. Deretter ble både en forbigående test og en vekselstrømssvep utført på den fullførte kretsen.

Resultater:

Grafene for hvert trinn finner du direkte under det respektive trinnet i figurdelen i vedlegget. For det første trinnet, den instrumentelle forsterkeren, ble en forbigående test kjørt på kretsen for å teste for å sikre at forsterkningen for forsterkeren var 1000. Testen gikk fra 1 - 1,25 sekunder med et maksimalt tidstrinn på 0,05. Den leverte spenningen var en AC sinusbølge med en amplitude på 0,005 V og en frekvens på 50 Hz. Den tiltenkte forsterkningen var 1000 og som vist i figur 4, siden Vout (den grønne kurven) hadde en amplitude på 5V. Den simulerte forsterkningen ble beregnet til å være, gevinst = Vout/Vin = 5V/0,005V = 1000. Derfor er prosentfeilen for dette trinnet 0%. 0,005V ble valgt som inngang for denne seksjonen, ettersom den vil være nært knyttet til inngangen mottatt fra en elektrode som nevnt i metodedelen.

Den andre fasen, båndpassfilteret, hadde et målområde på 0,5 - 150 Hz. For å teste filteret og sikre at rekkevidden samsvarer, et tiår, ble AC -feiing kjørt med 100 poeng per tiår fra 0,01 - 1000 Hz. Figur 5 viser resultatene fra vekselstrømsspenningen og bekrefter at et frekvensområde på 0,5 til 150 Hz ble oppnådd fordi maksimum minus 3 dB gir cutoff -frekvensen. Denne metoden er illustrert på grafen.

Det tredje trinnet, hakkfilter, var designet for å eliminere støyen som ble funnet rundt 60 Hz. Det beregnede avvisningsfrekvensen var ~ 56 Hz. For å bekrefte dette, et tiår, ble AC -feiing kjørt med 100 poeng per tiår fra 0,01 - 1000 Hz. Figur 6 viser resultatene fra vekselstrømmen og viser et senter for avvisningsfrekvens ~ 56-59 Hz. Prosent feil for denne delen ville være 4,16 %.

Etter å ha bekreftet at hvert enkelt trinn fungerte, ble de tre trinnene deretter satt sammen som vist på figur 7. Deretter ble en forbigående test kjørt for å kontrollere forsterkning av kretsen og testen kjørte fra 1 - 1,25 sekunder med et maksimalt tidstrinn på 0,05 med en levert spenning til en AC sinusbølge med en amplitude på 0,005 V og en frekvens på 50 Hz. Den resulterende grafen er den første grafen i figur 7 viser Vout3 (rød), utgangen til hele kretsen er 3,865 V og gir dermed forsterkningen = 3,865V/0,005V = 773. Dette er vesentlig forskjellig fra den tiltenkte forsterkningen på 1000 og gir en feil på 22,7%. Etter den forbigående testen, et tiår, ble AC -feiing kjørt med 100 poeng per tiår fra 0,01 - 1000 Hz og produserte den andre grafen i figur 7. Denne grafen fremhever de tiltenkte resultatene og viser filtrene som jobber samtidig for å produsere et filter som aksepterer frekvenser fra 0,5-150 Hz med et avvisningssenter fra 57,5-58,8 Hz.

Likninger:

(1) - forsterkning av instrumenteringsforsterkeren [6], motstander i forhold til dem som finnes i figur 4.

(2) - cutoff -frekvens for et lav/høy pass filter

(3) - for twin t hakkfilter [8], motstander i forhold til de som er funnet i figur 6.

Trinn 1: Instrumentasjonsforsterker

Trinn 1: den instrumentelle forsterkeren

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

Trinn 2: Båndpass

trinn 2: båndpassfilter

ligning: cutoff -frekvens = 1/2πRC

Trinn 3: Trinn 3: Hakkfilter

trinn 3: Twin T Notch filter

ligning - senteravvisningsfrekvens = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Trinn 4: Sluttskjema over alle stadier sammen

Sluttskjema med ac -sveip og forbigående kurver

Trinn 5: Diskusjon av enhet

Diskusjon:

Resultatet fra testene som ble utført ovenfor gikk som forventet for kretsen som helhet. Selv om forsterkningen ikke var perfekt og signalet forringet litt, jo lenger det gikk gjennom kretsen (som kan sees på figur 7, graf 1 hvor signalet økte fra 0,005V til 5V etter det første trinnet og deretter redusert til 4V etter det andre og deretter 3,865V etter det siste trinnet), båndpass og hakkfilter fungerte etter hensikten og produserte et frekvensområde på 0,5–150 Hz med en fjerning av frekvens på omtrent 57,5-58,8 Hz.

Etter å ha etablert parametrene for kretsen min, sammenlignet jeg den med to andre EKG. En mer direkte sammenligning med bare tall finnes i tabell 1. Det var tre store takeaways når jeg sammenlignet dataene mine med andre litteraturkilder. Den første var at forsterkningen i kretsen min var betydelig lavere enn de to andre jeg også sammenlignet. Begge litteraturkildens kretser oppnådde en forsterkning på 1000 og i Gawalis EKG [9] ble signalet enda mer forsterket med en faktor 147 i filtertrinnet. Derfor, selv om signalet i kretsen min ble forsterket med 773 (22,7% feil ved sammenligning med standardforsterkning) og ansett som nok til å kunne tolke inngangssignalet fra elektroden [6], er det fortsatt dverget i forhold til standardforsterkningen. 1000. Hvis standardforsterkning skulle oppnås i kretsen min, må forsterkningen i den instrumentelle forsterkeren økes til en faktor større enn 1000, slik at når forsterkningen trappes ned etter å ha passert gjennom hvert av filtertrinnene i kretsen min, den har fortsatt en gevinst på minst 1000 eller filtrene må justeres for å forhindre høyere spenningsfall.

Den andre store takeawayen var at alle tre kretsene hadde svært like frekvensområder. Gawalis [9] hadde nøyaktig samme område på 0,5-150 Hz, mens Goa [10] hadde et litt bredere område på 0,05-159 Hz. Goas krets hadde denne lille avviket fordi dette området passet bedre til datainnsamlingskortet som ble brukt i oppsettet.

Den siste store takeawayen var forskjellene i sentrum for avvisningsfrekvenser oppnådd av hakkfiltrene i hver krets. Gaos og min krets hadde begge et mål på 60 Hz for å undertrykke linjefrekvensstøy forårsaket kraftledninger mens Gawali var satt til 50 Hz. Imidlertid er denne avviket greit siden kraftlinjefrekvensen kan være 50 eller 60 Hz, avhengig av plasseringen i verden. Derfor ble det gjort en direkte sammenligning bare med Goas krets siden forstyrrelser i kraftledningen i USA er 60 Hz [11]. Prosentfeilen er 3,08%.