Dizajni i marrjes, përforcimit dhe filtrimit të një qarku të një elektrokardiogrami bazë: 6 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:10

Për të përfunduar këtë udhëzues, të vetmet gjëra të nevojshme janë një kompjuter, qasje në internet dhe disa softuerë simulues. Për qëllimet e këtij dizajni, të gjitha qarqet dhe simulimet do të funksionojnë në LTspice XVII. Ky program simulimi përmban biblioteka me mbi 1, 000 përbërës, gjë që e bën krijimin e qarqeve shumë të lehtë. Për shkak se këto qarqe do të përgjithësohen, "UniversalOpAmp2" do të përdoret për çdo shembull ku nevojitet një op-amp. Për më tepër, çdo op -amp u mundësua nga një furnizim me energji +15V dhe -15V. Këto furnizime me energji jo vetëm që fuqizojnë op-amp, por gjithashtu presin tensionin e daljes nëse do të arrinte njërën nga ato dy ekstreme.

Hapi 1: Dizajni i Përforcuesit të Instrumentacionit

Pasi të jetë marrë sinjali, duhet të amplifikohet për të kryer llogaritjet dhe filtrimin mbi të. Për elektrokardiogramet, metoda më e zakonshme e amplifikimit është amplifikatori i instrumenteve. Siç u përmend më lart, amplifikuesi i instrumenteve ka shumë përparësi kur bëhet fjalë për qarqet e amplifikimit, më i madhi është rezistenca e lartë midis tensioneve hyrëse. Për të ndërtuar këtë qark, u përdorën 3 op-amps në lidhje me shtatë rezistencë, me gjashtë nga rezistorët që ishin ekuivalentë në madhësi. Fitimi i shumicës së elektrokardiogramëve është rreth 1000x sinjali i hyrjes [1]. Ekuacioni për fitimin e një përforcuesi të instrumenteve është si më poshtë: Fitimi = 1 + (2 * R1/R2) * (R7/R6). Për thjeshtësi, çdo rezistencë supozohej të ishte 1000 Ohm, me përjashtim të R2, i cili ishte përcaktuar të ishte 2 Ohm. Këto vlera japin një fitim prej 1001 herë më të madh se tensioni i hyrjes. Ky përfitim është i mjaftueshëm për të amplifikuar sinjalet e fituara për analiza të mëtejshme. Sidoqoftë, duke përdorur ekuacionin, përfitimi mund të jetë çfarëdo që dëshironi për modelin e qarkut të tyre.

Hapi 2: Dizajni i filtrit të Band Pass

Një filtër i bandës është një filtër me kalim të lartë dhe një filtër me kalim të ulët që punon në koordinim zakonisht me një op-amp për të siguruar atë që njihet si një brez kalimi. Një brez kalimi është një gamë frekuencash që mund të kalojnë ndërsa të gjithë të tjerët, sipër dhe poshtë, refuzohen. Standardet e industrisë thonë se një elektrokardiogram standard duhet të ketë një brez kalimi nga 0.5 Hz në 150 Hz [2]. Ky brez i madh siguron që i gjithë sinjali elektrik nga zemra të regjistrohet dhe asnjë prej tij të mos filtrohet. Po kështu, kjo brez kalimi refuzon çdo kompensim DC që mund të ndërhyjë në sinjal. Për të hartuar këtë, duhet të zgjidhen rezistorë dhe kondensatorë specifikë në mënyrë që frekuenca e lartë e ndërprerjes së kalimit të jetë në 0.5 Hz dhe frekuenca e ndërprerjes së ulët të kalimit të jetë në 150 Hz. Ekuacioni i frekuencës së ndërprerjes si për filtrin e kalimit të lartë ashtu edhe atë të kalimit të ulët është si më poshtë: Fc = 1/(2*pi*RC). Për llogaritjet e mia, u zgjodh një rezistencë arbitrare, pastaj duke përdorur Ekuacionin 4, u llogarit një vlerë e kondensatorit. Prandaj, filtri me kalim të lartë do të ketë një vlerë rezistence prej 100, 000 ohms dhe një vlerë kondensatori prej 3.1831 mikrofarada. Po kështu, filtri me kalim të ulët do të ketë një vlerë rezistence prej 100, 000 ohms dhe një vlerë kondensatori prej 10.61 nano-faradësh. Tregohet një diagramë e filtrit të brezit me vlerat e rregulluara.

Hapi 3: Dizajni i filtrit të nivelit

Një filtër i nivelit është në thelb e kundërta e një filtri të bandës. Në vend që të ketë një kalim të lartë të ndjekur nga një kalim të ulët, është një kalim i ulët i ndjekur nga një kalim i lartë, prandaj dikush në thelb mund të eliminojë një brez të vogël zhurme. Për filtrin e nivelit të elektrokardiogramit, u përdor një model filtri i nivelit Twin-T. Ky dizajn lejon që një frekuencë qendrore të filtrohet dhe siguron një faktor të madh të cilësisë. Në këtë rast, frekuenca qendrore për të hequr qafe ishte në 60 Hz. Duke përdorur ekuacionin 4, vlerat e rezistencës u llogaritën duke përdorur një vlerë të caktuar kondensatori prej 0.1 mikrofarada. Vlerat e llogaritura të rezistencës për një brez ndalimi 60 Hz ishin 26, 525 ohms. Pastaj R5 u llogarit të jetë ½ e R3 dhe R4. C3 gjithashtu u llogarit si dyfishi i vlerës së zgjedhur për C1 dhe C2 [3]. Rezistencat arbitrare u zgjodhën për R1 dhe R2.

Hapi 4: Qarku i Kombinimit

Duke përdorur rrjeta, këta përbërës u vendosën në seri së bashku dhe imazhi i qarkut të përfunduar është fotografuar. Sipas një punimi të botuar nga Springer Science, një fitim i pranueshëm i qarkut të EKG -së duhet të jetë rreth 70 dB kur të vendoset i gjithë qarku [4].

Hapi 5: Testimi i të gjithë qarkut

Kur të gjithë përbërësit u vendosën në një seri, ishte i nevojshëm vërtetimi i modelit. Duke testuar këtë qark, u bë një spastrim kalimtar dhe AC për të përcaktuar nëse të gjithë përbërësit po punonin në unison. Nëse do të ishte kështu, tensioni kalimtar i daljes do të ishte akoma rreth 1000x tensioni i hyrjes. Po kështu, kur u krye spastrimi i rrymës, do të pritej një komplot fillestar i filtrit me brez me një nivel në 60 Hz. Duke parë imazhet e paraqitura, ky qark ishte në gjendje të arrinte me sukses të dy këto qëllime. Një test tjetër ishte për të parë efikasitetin e filtrit të nivelit. Për ta provuar këtë, një sinjal 60 Hz u kalua nëpër qark. Siç shihet në figurë, madhësia e këtij prodhimi ishte vetëm rreth 5x më e madhe se hyrja, krahasuar me 1000x kur frekuenca është brenda brezit kalues.

Hapi 6: Burimet:

[1] “ECG Measurement System”, Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (qasur në 01 Dhjetor, 2020).

[2] L. G. Tereshchenko dhe M. E. Josephson, “Frekuenca Content and Characteristics of Ventricular Conduction”, Journal of electrocardiology, vol. 48, nr. 6, f. 933–937, 2015, doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] "Filtrat e ndaluar të brezit quhen Filtra Refuzimi", Udhëzime Bazë për Elektronikë, 22 Maj 2018.

[4] N. Guler dhe U. Fidan, "Transmetimi pa tel i sinjalit EKG", Springer Science, vëll. 30, Prill 2005, doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.