Anskaffelse, forstærkning og filtreringskredsløbsdesign af et grundlæggende elektrokardiogram: 6 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:25

For at fuldføre dette instruerbare er de eneste nødvendige ting en computer, internetadgang og noget simuleringssoftware. I forbindelse med dette design køres alle kredsløb og simuleringer på LTspice XVII. Denne simuleringssoftware indeholder biblioteker med over 1.000 komponenter, hvilket gør oprettelse af kredsløb meget let. Fordi disse kredsløb vil blive generaliseret, vil "UniversalOpAmp2" blive brugt til alle tilfælde, hvor en op-amp er nødvendig. Derudover blev hver op -amp drevet af en +15V og -15V strømforsyning. Disse strømforsyninger driver ikke kun op-forstærkeren, men klipper også udgangsspændingen, hvis den skulle nå en af disse to ekstremer.

Trin 1: Instrumenteringsforstærkerdesign

Efter at signalet er blevet erhvervet, skal det forstærkes for at udføre beregninger og filtrere på det. For elektrokardiogrammer er den mest almindelige metode til forstærkning instrumenteringsforstærkeren. Som før nævnt har instrumenteringsforstærkeren mange fordele, når det kommer til forstærkningskredsløb, hvor den største er den høje impedans mellem indgangsspændingerne. For at konstruere dette kredsløb blev 3 op-ampere brugt i forbindelse med syv modstande, hvor seks af modstandene var ækvivalente i størrelse. Forstærkningen af de fleste elektrokardiogrammer er omkring 1000x indgangssignalet [1]. Ligningen for forstærkningen af en instrumenteringsforstærker er som følger: Gain = 1 + (2 * R1/R2) * (R7/R6). For enkeltheden blev hver modstand antaget at være 1000 ohm, undtagen R2, som blev bestemt til at være 2 ohm. Disse værdier giver en gevinst på 1001 gange større end indgangsspændingen. Denne forstærkning er tilstrækkelig til at forstærke de erhvervede signaler til yderligere analyse. Men ved at bruge ligningen kan gevinsten være hvad man vil for deres kredsløbdesign.

Trin 2: Båndpasfilterdesign

Et båndpasfilter er et højpasfilter og et lavpasfilter, der normalt koordinerer med en op-amp for at tilvejebringe det, der kaldes et passband. Et passbånd er en række frekvenser, der kan passere, mens alle andre over og under får afslag. Industristandarder angiver, at et standard elektrokardiogram skal have et passbånd fra 0,5 Hz til 150 Hz [2]. Dette store passbånd sikrer, at alt det elektriske signal fra hjertet registreres, og intet af det filtreres fra. På samme måde afviser dette passbånd enhver DC -forskydning, der kan forstyrre signalet. For at designe dette skal specifikke modstande og kondensatorer vælges således, at højpasafbrydelsesfrekvensen er på 0,5 Hz og lavpasafskæringsfrekvensen er ved 150 Hz. Afskæringsfrekvensligningen for både højpas- og lavpasfilteret er som følger: Fc = 1/(2*pi*RC). Til mine beregninger blev en vilkårlig modstand valgt, derefter ved hjælp af ligning 4 blev en kondensatorværdi beregnet. Derfor vil højpasfilteret have en modstandsværdi på 100.000 ohm og en kondensatorværdi på 3.1831 mikrofarader. På samme måde vil lavpasfilteret have en modstandsværdi på 100.000 ohm og en kondensatorværdi på 10.61 nano-farads. Der vises et diagram over båndpasfilteret med de justerede værdier.

Trin 3: Notch Filter Design

Et hakfilter er i det væsentlige det modsatte af et båndpasfilter. I stedet for at have et højpas efterfulgt af et lavpas, er det et lavpas efterfulgt af et højpas, derfor kan man i det væsentlige eliminere et lille støjbånd. Til hakfilteret i elektrokardiogrammet blev der brugt et Twin-T hakfilterdesign. Dette design gør det muligt at filtrere en centerfrekvens og giver en stor kvalitetsfaktor. I dette tilfælde var centerfrekvensen at slippe af med ved 60 Hz. Ved hjælp af ligning 4 blev modstandsværdierne beregnet ved hjælp af en given kondensatorværdi på 0,1 mikrofarad. De beregnede modstandsværdier for et 60 Hz stopbånd var 26, 525 ohm. Derefter blev R5 beregnet til at være ½ af R3 og R4. C3 blev også beregnet som det dobbelte af den valgte værdi for C1 og C2 [3]. Tilfældige modstande blev valgt til R1 og R2.

Trin 4: Kombinationskredsløb

Ved hjælp af net blev disse komponenter placeret i serie sammen, og billedet af det færdige kredsløb er afbilledet. Ifølge et papir udgivet af Springer Science bør en acceptabel forstærkning af EKG -kredsløbet være omkring 70 dB, når hele kredsløbet er sat op [4].

Trin 5: Test af hele kredsløbet

Når alle komponenterne blev placeret i en serie, var validering af designet nødvendigt. Ved test af dette kredsløb blev både en transient og vekselstrøm fejning udført for at afgøre, om alle komponenterne arbejdede i fællesskab. Hvis dette var tilfældet, ville den forbigående udgangsspænding stadig være omkring 1000x indgangsspændingen. Når AC-fejningen blev udført, ville der på samme måde forventes et båndpasfilterplot med et hak på 60 Hz. Når man ser på billederne på billedet, var dette kredsløb i stand til med succes at nå begge disse mål. En anden test var at se effektiviteten af hakfilteret. For at teste dette blev et 60 Hz signal passeret gennem kredsløbet. Som afbildet var størrelsen af denne output kun ca. 5x større end input, sammenlignet med 1000x, når frekvensen er inden for passbåndet.

Trin 6: Ressourcer:

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

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

[3] “Båndstopfiltre kaldes Afvis filtre”, Grundlæggende elektroniske selvstudier, 22. maj 2018.

[4] N. Guler og U. Fidan, "Trådløs transmission af EKG -signal", Springer Science, bind. 30, apr. 2005, doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.