Automatiseret EKG: Amplifikation og filtersimuleringer ved hjælp af LTspice: 5 trin

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

Dette er billedet af den sidste enhed, du vil bygge, og en meget dybdegående diskussion om hver del. Beskriver også beregningerne for hvert trin.

Billedet viser blokdiagram for denne enhed

Metoder og materialer:

Formålet med dette projekt var at udvikle en signaloptagelsesenhed for at karakterisere et specifikt biologisk signal/indsamle relevante data om signalet. Mere specifikt et automatiseret EKG. Blokdiagrammet vist i figur 3 fremhæver den foreslåede skematik for enheden. Enheden ville modtage det biologiske signal via en elektrode og derefter forstærke det ved hjælp af en forstærker med en forstærkning på 1000. Denne forstærkning er nødvendig, da det biologiske signal vil være mindre ved ca. 5mV, hvilket er meget lille og kan være svært at fortolke [5]. Bagefter ville støj reduceres ved hjælp af et båndpasfilter for at få det ønskede frekvensområde for signalet, 0,5-150 Hz, og derefter ville et hak følge for at fjerne den normale omgivende støj forårsaget af kraftledninger fundet omkring 50-60 Hz [11]. Endelig skal signalet derefter konverteres til digitalt, så det kan tolkes ved hjælp af en computer, og dette gøres med en analog til digital konverter. I denne undersøgelse vil fokus imidlertid primært være på forstærker, båndpasfilter og hakfilter.

Forstærkeren, båndpasfilteret og hakfilteret blev alle designet og simuleret ved hjælp af LTSpice. Hver sektion blev først udviklet separat og testet for at sikre, at de fungerede korrekt og derefter blev sammenkædet til en sidste skematisk. Forstærkeren, som kan ses i figur 4, blev designet og baseret på en instrumentel forstærker. En instrumenteringsforstærker bruges almindeligvis i EKG'er, temperaturmonitorer og endda jordskælvsdetektorer, fordi den kan forstærke et meget lavt signalniveau, mens den afviser overskydende støj. Det er også meget let at ændre for at justere til den forstærkning, der er nødvendig [6]. Den ønskede forstærkning for kredsløbet er 1000, og dette blev valgt, da input fra elektroden vil være et vekselstrømssignal mindre end 5 mV [5] og skal forstærkes for at gøre data lettere at fortolke. For at få en gevinst på 1000 blev ligning (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3) brugt, hvilket derfor gav GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω) /101.01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. For at bekræfte, at den korrekte amplifikationsmængde blev opnået, blev der udført en forbigående test ved hjælp af LTspice.

Den anden fase var et båndpasfilter. Dette filter kan ses i figur 5 og består af et lavpas og derefter et højpasfilter med en operationsforstærker imellem for at forhindre filtrene i at annullere hinanden. Formålet med dette trin er at producere et bestemt frekvensområde, der vil være acceptabelt at passere gennem enheden. Det ønskede område for denne enhed er 0,5 - 150 Hz, da dette er standardområdet for EKG [6]. For at nå dette målområde blev ligning (2) cutoff -frekvens = 1/(2πRC) brugt til at bestemme cutoff -frekvensen for både højpas- og lavpasfilter inden for båndpasset. Da den nedre ende af området skulle være 0,5 Hz, blev højpasfiltermodstanden og kondensatorværdierne beregnet til at være 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83µF) og med den øvre ende skal være 150 Hz, den lave passfiltermodstand og kondensatorværdier blev beregnet til at være 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1.061µF). For at bekræfte, at det korrekte frekvensområde blev opnået, blev der kørt et vekselstrømssving ved hjælp af LTspice.

Det tredje og sidste simulerede trin er hakfilteret og kan ses i figur 6. Hakfilteret fungerer som et middel til at eliminere uønsket støj, der opstår midt i det ønskede frekvensområde, der er skabt af båndpasset. Målfrekvensen i dette tilfælde er 60 Hz, da det er den almindelige frekvensliniefrekvens i USA og forårsager interferens, hvis den ikke behandles [7]. Hakfilteret valgt for at håndtere denne interferens var et dobbelt t hakfilter med to op -forstærkere og en spændingsdeler. Dette giver signalet mulighed for ikke kun at filtrere signalet direkte ud ved målfrekvensen, men også introducere en variabel feedback i systemet, en justerbar kvalitetsfaktor Q og variabel output takket være spændingsdeleren og derfor gjort dette til et aktivt filter i stedet for en passiv [8]. Disse ekstra faktorer blev dog for det meste uberørte i de første tests, men vil blive berørt i fremtidige arbejder og hvordan man senere kan forbedre projektet. For at bestemme midten af afvisningsfrekvensen er ligning (3) centerafvisningsfrekvens = 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 blev anvendt. For at bekræfte, at den korrekte afvisningsfrekvens blev opnået, blev der kørt en AC -sweep ved hjælp af LTspice.

Endelig, efter at hvert trin blev testet separat, blev de tre trin kombineret som vist i figur 7. Det skal også bemærkes, at alle op -forstærkere blev forsynet med en +15V og -15V DC strømforsyning for at muliggøre en betydelig forstærkning forekomme når det er nødvendigt. Derefter blev både en forbigående test og en vekselstrømssvepning udført på det færdige kredsløb.

Resultater:

Graferne for hvert trin kan findes direkte under dets respektive trin i figurafsnittet i tillægget. For det første trin, den instrumentelle forstærker, blev der kørt en forbigående test på kredsløbet for at teste for at sikre, at forstærkningen for forstærkeren var 1000. Testen kørte fra 1 - 1,25 sekunder med et maksimalt tidstrin på 0,05. Den leverede spænding var en AC -sinusbølge med en amplitude på 0,005 V og en frekvens på 50 Hz. Den påtænkte forstærkning var 1000, og som det ses i figur 4, siden Vout (den grønne kurve) havde en amplitude på 5V. Den simulerede forstærkning blev beregnet til at være, gain = Vout/Vin = 5V/0.005V = 1000. Derfor er procentfejlen for dette trin 0%. 0,005V blev valgt som input til dette afsnit, da det tæt vil relateres til input modtaget fra en elektrode som nævnt i metodeafsnittet.

Den anden fase, båndpasfilteret, havde et målområde på 0,5 - 150 Hz. For at teste filteret og sikre, at området matchede, et årti, blev AC -fejning kørt med 100 point pr. Årti fra 0,01 - 1000 Hz. Figur 5 viser resultaterne fra AC -sweep og bekræfter, at der blev opnået et frekvensområde på 0,5 til 150 Hz, fordi maksimum minus 3 dB giver cutoff -frekvensen. Denne metode er illustreret på grafen.

Den tredje fase, hakfilter, var designet til at eliminere den støj, der blev fundet omkring 60 Hz. Det beregnede center for afvisningsfrekvens var ~ 56 Hz. For at bekræfte dette, et årti, blev AC -sweep kørt med 100 point pr. Årti fra 0,01 - 1000 Hz. Figur 6 viser resultaterne fra AC-fejningen og illustrerer et center for afvisningsfrekvens ~ 56-59 Hz. Procentvis fejl for dette afsnit ville 4,16 %.

Efter at have bekræftet, at hvert enkelt trin fungerede, blev de tre faser derefter samlet som vist i figur 7. Derefter blev der foretaget en forbigående test for at kontrollere forstærkning af kredsløb, og testen kørte fra 1 - 1,25 sekunder med et maksimalt tidstrin på 0,05 med en leveret spænding af en AC sinusbølge med en amplitude på 0,005 V og en frekvens på 50 Hz. Den resulterende graf er den første graf i figur 7 viser Vout3 (rød), output af hele kredsløbet, er 3.865 V og derfor gør forstærkningen = 3.865V/0.005V = 773. Dette er væsentligt anderledes end den tilsigtede forstærkning på 1000 og giver en fejl på 22,7%. Efter den forbigående test, et årti, blev AC -fejning kørt med 100 punkter pr. Årti fra 0,01 - 1000 Hz og producerede den anden graf i figur 7. Denne graf fremhæver de tilsigtede resultater og viser filtrene, der arbejder sammen for at producere et filter, der accepterer frekvenser fra 0,5-150 Hz med et center for afvisning fra 57,5-58,8 Hz.

Ligninger:

(1) - forstærkning af instrumenteringsforstærker [6], modstande i forhold til dem, der findes i figur 4.

(2) - afskæringsfrekvens for et lav-/højpasfilter

(3) - for dobbelt t -hakfilter [8], modstande i forhold til dem, der findes i figur 6.

Trin 1: Instrumentationsforstærker

Trin 1: den instrumentelle forstærker

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

Trin 2: Båndpas

trin 2: båndpasfilter

ligning: afskæringsfrekvens = 1/2πRC

Trin 3: Trin 3: Hakfilter

trin 3: Twin T Notch -filter

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

Trin 4: Slutskema over alle faser sammen

Endelig skematisk med ac -sweep og forbigående kurver

Trin 5: Diskussion af enhed

Diskussion:

Resultatet fra de ovennævnte tests gik som forventet for kredsløbet som helhed. Selvom forstærkningen ikke var perfekt, og signalet forringedes lidt, jo længere det gik gennem kredsløbet (som kan ses i figur 7, graf 1, hvor signalet steg fra 0,005V til 5V efter det første trin og derefter faldt til 4V efter det andet og derefter 3.865V efter det sidste trin), fungerede båndpas- og hakfilteret efter hensigten og producerede et frekvensområde på 0,5-150 Hz med en fjernelse af frekvensen omkring 57,5-58,8 Hz.

Efter at have fastlagt parametrene for mit kredsløb, sammenlignede jeg det derefter med to andre EKG'er. En mere direkte sammenligning med lige tal findes i tabel 1. Der var tre store takeaways, når jeg sammenlignede mine data med andre litteraturkilder. Den første var, at forstærkningen i mit kredsløb var betydeligt lavere end de to andre, jeg også sammenlignede. Begge litteraturkildes kredsløb opnåede en forstærkning på 1000 og i Gawalis EKG [9] blev signalet endnu forstærket med en faktor 147 i filtertrinnet. Selvom signalet i mit kredsløb blev forstærket med 773 (22,7% fejl ved sammenligning med standardforstærkning) og anses for at være nok til at kunne fortolke indgangssignalet fra elektroden [6], er det dog stadig dværgede i forhold til standardforstærkning 1000. Hvis der skulle opnås standardforstærkning i mit kredsløb, skulle amplifikationen i den instrumentelle forstærker øges til en faktor større end 1000, så når forstærkningen bliver trappet ned efter at have passeret gennem hvert af filtertrinnene i mit kredsløb, det har stadig en forstærkning på mindst 1000 eller filtrene skal justeres for at forhindre højere spændingsfald.

Den anden store afhentning var, at alle tre kredsløb havde meget ens frekvensområder. Gawalis [9] havde det nøjagtig samme område på 0,5-150 Hz, mens Goa [10] havde et lidt bredere område på 0,05-159 Hz. Goas kredsløb havde denne lille uoverensstemmelse, fordi det område bedre passede til dataindsamlingskortet, der blev brugt i deres opsætning.

Den sidste store takeaway var forskellene i midten af afvisningsfrekvenser opnået af hakfiltrene i hvert kredsløb. Gaos og mit kredsløb havde begge et mål på 60 Hz for at undertrykke den frekvensstøj, der forårsagede elledninger, mens Gawalis var indstillet til 50 Hz. Denne uoverensstemmelse er imidlertid fin, da strømledningens frekvens kan være 50 eller 60 Hz afhængigt af placeringen i verden. Derfor blev der foretaget en direkte sammenligning bare med Goas kredsløb, da interferens i netledninger i USA er 60 Hz [11]. Procentfejlen er 3,08%.