Построение схемы сбора, усиления и фильтрации базовой электрокардиограммы: 6 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:48

Чтобы выполнить это руководство, все, что вам нужно, - это компьютер, доступ в Интернет и некоторое программное обеспечение для моделирования. Для этого проекта все схемы и симуляции будут выполняться на LTspice XVII. Это программное обеспечение для моделирования содержит библиотеки из более чем 1 000 компонентов, что упрощает создание схем. Поскольку эти схемы будут обобщенными, «UniversalOpAmp2» будет использоваться для каждого случая, когда требуется операционный усилитель. Кроме того, каждый операционный усилитель питался от источника питания +15 В и -15 В. Эти источники питания не только питают операционный усилитель, но и ограничивают выходное напряжение, если оно достигает любого из этих двух экстремумов.

Шаг 1: проектирование инструментального усилителя

После того, как сигнал получен, его необходимо усилить для выполнения вычислений и фильтрации. Для электрокардиограмм наиболее распространенным методом усиления является инструментальный усилитель. Как упоминалось выше, инструментальный усилитель имеет много преимуществ, когда речь идет о схемах усиления, самым большим из которых является высокий импеданс между входными напряжениями. Для построения этой схемы использовались 3 операционных усилителя в сочетании с семью резисторами, причем шесть из них были эквивалентными по величине. Коэффициент усиления большинства электрокардиограмм примерно в 1000 раз превышает входной сигнал [1]. Уравнение для усиления инструментального усилителя выглядит следующим образом: усиление = 1 + (2 * R1 / R2) * (R7 / R6). Для простоты было принято, что каждый резистор имеет сопротивление 1000 Ом, за исключением R2, который был определен как 2 Ом. Эти значения дают коэффициент усиления в 1001 раз больший, чем входное напряжение. Этого усиления достаточно для усиления полученных сигналов для дальнейшего анализа. Однако, используя уравнение, коэффициент усиления может быть любым, каким он хочет для их схемотехники.

Шаг 2: Проектирование полосового фильтра

Полосовой фильтр - это фильтр верхних частот и фильтр нижних частот, обычно работающие в координации с операционным усилителем, чтобы обеспечить так называемую полосу пропускания. Полоса пропускания - это диапазон частот, который может проходить, в то время как все остальные, выше и ниже, отклоняются. Согласно отраслевым стандартам, стандартная электрокардиограмма должна иметь полосу пропускания от 0,5 Гц до 150 Гц [2]. Эта широкая полоса пропускания гарантирует, что весь электрический сигнал от сердца записывается и ни один из них не отфильтровывается. Точно так же эта полоса пропускания отклоняет любое смещение постоянного тока, которое может помешать сигналу. Для этого необходимо выбрать специальные резисторы и конденсаторы, чтобы частота среза высоких частот составляла 0,5 Гц, а частота среза низких частот - 150 Гц. Уравнение частоты среза как для фильтра высоких частот, так и для фильтра низких частот выглядит следующим образом: Fc = 1 / (2 * pi * RC). Для моих расчетов был выбран произвольный резистор, а затем по формуле 4 была рассчитана емкость конденсатора. Следовательно, фильтр верхних частот будет иметь сопротивление резистора 100 000 Ом и емкость конденсатора 3,1831 мкФ. Аналогичным образом, фильтр нижних частот будет иметь сопротивление резистора 100 000 Ом и емкость конденсатора 10,61 нанофарад. Показана схема полосового фильтра с настроенными значениями.

Шаг 3: разработка режекторного фильтра

Режекторный фильтр по сути противоположен полосовому фильтру. Вместо того, чтобы иметь проход высоких частот, за которыми следует низкий проход, это низкий проход, за которым следует высокий проход, поэтому можно по существу устранить одну небольшую полосу шума. Для режекторного фильтра электрокардиограммы использовалась конструкция режекторного фильтра Twin-T. Такая конструкция позволяет фильтровать центральную частоту и обеспечивает высокий коэффициент качества. В этом случае центральная частота, от которой нужно избавиться, составляла 60 Гц. Используя уравнение 4, номиналы резисторов были рассчитаны с использованием данного конденсатора емкостью 0,1 мкФ. Расчетные значения резисторов для полосы заграждения 60 Гц составили 26 525 Ом. Тогда R5 был рассчитан как 1/2 от R3 и R4. C3 также был рассчитан как двойное значение, выбранное для C1 и C2 [3]. Резисторы R1 и R2 были выбраны произвольной формы.

Шаг 4: Комбинированная схема

С помощью цепей эти компоненты были последовательно соединены вместе, и было показано изображение завершенной схемы. Согласно статье, опубликованной Springer Science, приемлемое усиление схемы ЭКГ должно составлять около 70 дБ при настройке всей схемы [4].

Шаг 5: Тестирование всей схемы

Когда все компоненты были размещены в серии, потребовалась проверка конструкции. При тестировании этой схемы были проведены как переходные процессы, так и развертка по переменному току, чтобы определить, все ли компоненты работают в унисон. Если бы это было так, переходное выходное напряжение все равно было бы примерно в 1000 раз больше входного. Точно так же, когда проводилась развертка по переменному току, можно было бы ожидать графика Боде полосового фильтра с вырезом на 60 Гц. Глядя на изображенные изображения, эта схема смогла успешно выполнить обе эти цели. Другой тест состоял в том, чтобы увидеть эффективность режекторного фильтра. Чтобы проверить это, через цепь пропускали сигнал частотой 60 Гц. Как показано на рисунке, величина этого выходного сигнала была только примерно в 5 раз больше, чем входная, по сравнению с 1000-кратным, когда частота находится в пределах полосы пропускания.

Шаг 6: Ресурсы:

[1] «Система измерения ЭКГ», Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (по состоянию на 01 декабря. 2020).

[2] Л. Г. Терещенко и М. Э. Джозефсон, «Частотный состав и характеристики желудочковой проводимости», Журнал электрокардиологии, вып. 48, вып. 6, стр. 933–937, 2015 г., DOI: 10.1016 / j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] «Фильтры ограничения полосы называются фильтрами отклонения», Учебные пособия по базовой электронике, 22 мая 2018 г.

[4] Н. Гулер и У. Фидан, «Беспроводная передача сигнала ЭКГ», Springer Science, vol. 30 апреля 2005 г., DOI: 10.1007 / s10916-005-7980-5.