Автоматизированная ЭКГ: усиление и моделирование фильтров с использованием LTspice: 5 шагов

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

Это изображение последнего устройства, которое вы будете собирать, и очень подробное обсуждение каждой части. Также описаны расчеты для каждого этапа.

На изображении показана блок-схема этого устройства.

Методы и материалы:

Целью этого проекта было разработать устройство сбора сигнала, чтобы охарактеризовать конкретный биологический сигнал / собрать соответствующие данные о сигнале. Точнее, автоматизированная ЭКГ. Блок-схема, показанная на рисунке 3, подчеркивает предлагаемую схему устройства. Устройство будет принимать биологический сигнал через электрод, а затем усиливать его с помощью усилителя с коэффициентом усиления 1000. Это усиление необходимо, поскольку биологический сигнал будет меньше примерно на 5 мВ, что очень мало и его трудно интерпретировать [5]. Впоследствии шум будет уменьшен с помощью полосового фильтра, чтобы получить желаемый частотный диапазон для сигнала, 0,5-150 Гц, а затем следует вырезка, чтобы удалить нормальный окружающий шум, вызванный линиями электропередач, обнаруженными около 50-60 Гц. [11]. Наконец, сигнал затем необходимо преобразовать в цифровой, чтобы его можно было интерпретировать с помощью компьютера, и это делается с помощью аналого-цифрового преобразователя. Однако в этом исследовании основное внимание будет уделено усилителю, полосовому фильтру и режекторному фильтру.

Усилитель, полосовой фильтр и режекторный фильтр были разработаны и смоделированы с использованием LTSpice. Каждый раздел сначала разрабатывался отдельно и тестировался, чтобы убедиться, что они работают правильно, а затем объединен в одну окончательную схему. Усилитель, который можно увидеть на рисунке 4, был разработан на основе инструментального усилителя. Инструментальный усилитель обычно используется в ЭКГ, мониторах температуры и даже в детекторах землетрясений, поскольку он может усиливать сигнал очень низкого уровня, подавляя при этом избыточный шум. Также очень легко изменить, чтобы отрегулировать любое необходимое усиление [6]. Желаемое усиление для схемы составляет 1000, и это было выбрано, поскольку на входе с электрода будет сигнал переменного тока менее 5 мВ [5], и его необходимо усилить, чтобы облегчить интерпретацию данных. Чтобы получить коэффициент усиления 1000, использовалось уравнение (1) GAIN = (1+ (R2 + R4) / R1) (R6 / R3), что, следовательно, дало GAIN = (1+ (5000Ω + 5000Ω) /101.01Ω).) (1000 Ом / 100 Ом) = 1000. Чтобы подтвердить, что правильная величина усиления была достигнута, был проведен переходный тест с использованием LTspice.

Второй этап - это полосовой фильтр. Этот фильтр показан на рисунке 5 и состоит из фильтра нижних частот, а затем фильтра верхних частот с операционным усилителем между ними, чтобы фильтры не подавляли друг друга. Цель этого этапа - создать заданный диапазон частот, который будет приемлемым для прохождения через устройство. Желаемый диапазон для этого устройства составляет 0,5 - 150 Гц, поскольку это стандартный диапазон для ЭКГ [6]. Чтобы достичь этого целевого диапазона, было использовано уравнение (2) частота среза = 1 / (2πRC), чтобы определить частоту среза как для фильтра верхних частот, так и для фильтра нижних частот в полосе пропускания. Поскольку нижний предел диапазона должен составлять 0,5 Гц, значения резистора фильтра верхних частот и конденсатора были рассчитаны как 0,5 Гц = 1 / (2π * 1000 Ом * 318,83 мкФ), а верхний предел должен составлять 150 Гц, нижний предел Значения резистора пропускного фильтра и конденсатора были рассчитаны как 150 Гц = 1 / (2π * 1000 Ом * 1,061 мкФ). Чтобы подтвердить, что был достигнут правильный частотный диапазон, была проведена развертка переменного тока с использованием LTspice.

Третьим и последним смоделированным каскадом является режекторный фильтр, его можно увидеть на рисунке 6. Режекторный фильтр служит средством устранения нежелательного шума, который возникает в середине желаемого частотного диапазона, создаваемого полосой пропускания. Целевая частота в этом случае составляет 60 Гц, так как это стандартная частота линии электропередачи в Соединенных Штатах, которая вызывает помехи, если ее не устранить [7]. Режекторный фильтр, выбранный для устранения этих помех, представлял собой двойной режекторный фильтр с двумя операционными усилителями и делителем напряжения. Это позволит сигналу не только отфильтровывать сигнал непосредственно на целевой частоте, но также ввести переменную обратную связь в систему, регулируемый коэффициент качества Q и переменный выходной сигнал благодаря делителю напряжения и, следовательно, сделать его активным фильтром вместо пассив [8]. Эти дополнительные факторы, однако, в основном не были затронуты в первоначальных тестах, но будут затронуты в будущих работах и о том, как улучшить проект позже. Чтобы определить центр частоты отклонения, уравнение (3) центральная частота отклонения = 1 / (2π) * √ (1 / (C2 * C3 * R5 * (R3 + R4))) = 1 / (2π) * √ (1 / [(0,1 * 10 ^ -6 мкФ) * (0,1 * 10 ^ -6 мкФ) (15000 Ом) * (26525 Ом + 26525 Ом)]) = 56,420 Гц. Чтобы подтвердить, что была достигнута правильная частота отклонения, была проведена развертка переменного тока с использованием LTspice.

Наконец, после того, как каждый каскад был протестирован отдельно, три каскада были объединены, как показано на рисунке 7. Следует также отметить, что все операционные усилители были снабжены источником питания +15 В и -15 В постоянного тока, чтобы обеспечить существенное усиление. произойти при необходимости. Затем на замкнутой цепи были выполнены как переходный тест, так и развертка по переменному току.

Полученные результаты:

Графики для каждого этапа можно найти непосредственно под соответствующим этапом в разделе «Рисунок» в приложении. Для первого каскада, инструментального усилителя, был проведен переходный тест схемы, чтобы убедиться, что коэффициент усиления усилителя равен 1000. Тест длился от 1 до 1,25 секунды с максимальным шагом по времени 0,05. Подаваемое напряжение представляло собой синусоидальную волну переменного тока с амплитудой 0,005 В и частотой 50 Гц. Предполагаемое усиление составляло 1000, и, как показано на рисунке 4, Vout (зеленая кривая) имел амплитуду 5 В. Смоделированное усиление было вычислено следующим образом: усиление = Vout / Vin = 5 В / 0,005 В = 1000. Следовательно, процентная погрешность для этого каскада составляет 0%. 0,005 В было выбрано в качестве входа для этого раздела, так как оно будет тесно связано с входом, полученным от электрода, как указано в разделе методов.

Второй каскад, полосовой фильтр, имел целевой диапазон 0,5 - 150 Гц. Чтобы проверить фильтр и убедиться, что диапазон согласован, через декаду, развертка по переменному току выполнялась со 100 точками за декаду от 0,01 до 1000 Гц. На рисунке 5 показаны результаты развертки переменного тока и подтверждается, что диапазон частот от 0,5 до 150 Гц был достигнут, поскольку максимум минус 3 дБ дает частоту среза. Этот метод проиллюстрирован на графике.

Третий каскад, режекторный фильтр, был разработан для устранения шума около 60 Гц. Расчетная частота центра режекции составляла ~ 56 Гц. Чтобы подтвердить это, в течение декады проводилась развертка по переменному току со 100 точками за декаду в диапазоне от 0,01 до 1000 Гц. На рисунке 6 показаны результаты развертки переменного тока и показана частота центра подавления ~ 56-59 Гц. Процент ошибки для этого раздела составил бы 4,16%.

После подтверждения того, что каждый отдельный каскад работает, три каскада были затем собраны, как показано на Рисунке 7. Затем был проведен переходный тест для проверки усиления схемы, и тест длился от 1 до 1,25 секунды с максимальным временным шагом 0,05 с подаваемое напряжение синусоидальной волны переменного тока амплитудой 0,005 В и частотой 50 Гц. Результирующий график является первым графиком на Рисунке 7 и показывает Vout3 (красный), выход всей схемы составляет 3,865 В и, следовательно, коэффициент усиления = 3,865 В / 0,005 В = 773. Это значительно отличается от предполагаемого усиления 1000. и дает ошибку 22,7%. Через десять лет после переходного теста развертка по переменному току выполнялась со 100 точками за декаду от 0,01 до 1000 Гц, и был получен второй график на рисунке 7. На этом графике показаны предполагаемые результаты и показаны фильтры, работающие в тандеме для создания фильтра, который принимает частоты от 0,5 до 150 Гц с центром отклонения от 57,5 до 58,8 Гц.

Уравнения:

(1) - коэффициент усиления инструментального усилителя [6], резисторы относительно указанных на рисунке 4.

(2) - частота среза фильтра низких / высоких частот

(3) - для двойного Т-образного режекторного фильтра [8], резисторы соответствуют тем, которые показаны на рисунке 6.

Шаг 1: инструментальный усилитель

Этап 1: инструментальный усилитель

уравнение - УСИЛЕНИЕ = (1+ (R2 + R4) / R1) (R6 / R3)

Шаг 2: Bandpass

этап 2: полосовой фильтр

уравнение: частота среза = 1 / 2πRC

Шаг 3: Этап 3: Режекторный фильтр

Стадия 3: фильтр Twin T Notch

уравнение - центральная частота отклонения = 1 / 2π √ (1 / (C_2 C_3 R_5 (R_3 + R_4)))

Шаг 4: Окончательная схема всех этапов вместе

Окончательная схема с разверткой по переменному току и кривыми переходных процессов

Шаг 5: Обсуждение устройства

Обсуждение:

Результат проведенных выше тестов оказался ожидаемым для схемы в целом. Хотя усиление не было идеальным, и сигнал немного ухудшался по мере прохождения через цепь (что можно увидеть на Рисунке 7, график 1, где сигнал увеличился с 0,005 В до 5 В после первого этапа, а затем снизился до 4 В после второго. а затем 3,865 В после заключительного этапа), полосовой и режекторный фильтры работали, как и предполагалось, и выдавали частотный диапазон 0,5–150 Гц с удалением частоты около 57,5–58,8 Гц.

После определения параметров моей схемы я сравнил ее с двумя другими ЭКГ. Более прямое сравнение с простыми числами можно найти в таблице 1. При сравнении моих данных с другими литературными источниками было сделано три основных вывода. Во-первых, усиление в моей схеме было значительно ниже, чем в двух других, которые я тоже сравнивал. Обе схемы из литературных источников достигли усиления в 1000 раз, а на ЭКГ Гавали [9] сигнал был дополнительно усилен в 147 раз в каскаде фильтра. Таким образом, хотя сигнал в моей схеме был усилен на 773 (ошибка 22,7% по сравнению со стандартным усилением) и считался достаточным, чтобы можно было интерпретировать входной сигнал с электрода [6], он все же затмевается по сравнению со стандартным усилением. 1000. Если бы в моей схеме должно было быть достигнуто стандартное усиление, усиление в инструментальном усилителе необходимо было бы увеличить до коэффициента, превышающего 1000, чтобы, когда коэффициент усиления понизился после прохождения каждого из каскадов фильтра в моей схеме, он по-прежнему имеет коэффициент усиления не менее 1000, или фильтры необходимо отрегулировать, чтобы предотвратить возникновение более высоких уровней падения напряжения.

Второй важный вывод заключался в том, что все три схемы имели очень похожие частотные диапазоны. У Гавали [9] был точно такой же диапазон 0,5–150 Гц, в то время как у Гоа [10] был немного более широкий диапазон 0,05–159 Гц. Схема Гоа имела это небольшое несоответствие, потому что этот диапазон лучше подходил для карты сбора данных, которая использовалась в их настройке.

Последним важным выводом были различия в частотах центра подавления, достигаемые режекторными фильтрами в каждой схеме. Схема Гао и моя была настроена на 60 Гц, чтобы подавить шум частоты линии, вызванный линиями электропередач, в то время как схема Гавали была установлена на 50 Гц. Однако это несоответствие нормально, поскольку в зависимости от местоположения в мире частота линии электропередачи может составлять 50 или 60 Гц. Поэтому было проведено прямое сравнение только со схемой в Гоа, поскольку помехи от линий электропередачи в Соединенных Штатах составляют 60 Гц [11]. Погрешность в процентах составляет 3,08%.