EKG e automatizuar: Simulimet e amplifikimit dhe filtrimit duke përdorur LTspice: 5 hapa

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

Kjo është fotografia e pajisjes përfundimtare që do të ndërtoni dhe një diskutim shumë i thelluar për secilën pjesë. Gjithashtu përshkruan llogaritjet për secilën fazë.

Imazhi tregon diagramin e bllokut për këtë pajisje

Metodat dhe materialet:

Qëllimi i këtij projekti ishte të zhvillonte një pajisje për marrjen e sinjalit në mënyrë që të karakterizonte një sinjal biologjik specifik/të mblidhte të dhëna përkatëse mbi sinjalin. Më konkretisht, një EKG e automatizuar. Bllok -diagrami i treguar në Figurën 3 nxjerr në pah skemën e propozuar për pajisjen. Pajisja do të merrte sinjalin biologjik përmes një elektrodë dhe më pas do ta përforconte atë duke përdorur një përforcues me një fitim prej 1000. Ky amplifikim është i nevojshëm pasi sinjali biologjik do të jetë më pak në rreth 5mV që është shumë i vogël dhe mund të jetë i vështirë për t’u interpretuar [5]. Më pas, zhurma do të zvogëlohej duke përdorur një filtër të brezit në mënyrë që të merrte intervalin e dëshiruar të frekuencës për sinjalin, 0.5-150 Hz, dhe më pas do të ndiqte një nivel për të hequr zhurmën normale përreth të shkaktuar nga linjat e energjisë të gjetura rreth 50-60 Hz [11]. Së fundmi, sinjali pastaj duhet të konvertohet në dixhital në mënyrë që të interpretohet duke përdorur një kompjuter dhe kjo bëhet me një konvertues analog në dixhital. Sidoqoftë, në këtë studim, fokusi do të jetë kryesisht në amplifikatorin, filtrin e brezit dhe filtrin e nivelit.

Përforcuesi, filtri i bandës dhe filtri i nivelit u krijuan dhe simuluan të gjithë duke përdorur LTSpice. Secili seksion fillimisht u zhvillua veçmas dhe u testua në mënyrë që të siguroheshin që ata performuan siç duhet dhe më pas u bashkuan në një skemë përfundimtare. Përforcuesi, i cili mund të shihet në figurën 4, është projektuar dhe bazuar në një përforcues instrumental. Një përforcues instrumentesh përdoret zakonisht në EKG, monitorues të temperaturës dhe madje edhe detektorë tërmeti sepse mund të amplifikojë një sinjal shumë të ulët ndërsa refuzon zhurmën e tepërt. Alsoshtë gjithashtu shumë e lehtë të modifikohet në mënyrë që të përshtatet për çfarëdo përfitimi që nevojitet [6]. Fitimi i dëshiruar për qarkun është 1000 dhe kjo u zgjodh pasi hyrja nga elektroda do të jetë një sinjal AC më pak se 5 mV [5] dhe duhet të amplifikohet në mënyrë që t'i bëjë të dhënat më të lehta për tu interpretuar. Për të marrë një fitim prej 1000, u përdor ekuacioni (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3) i cili për këtë arsye dha GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω) /101.01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. Në mënyrë që të konfirmohet sasia e saktë e amplifikimit, është kryer një test kalimtar duke përdorur LTspice.

Faza e dytë ishte një filtër i bandës. Ky filtër mund të shihet në Figurën 5 dhe përbëhet nga një filtër me kalim të ulët dhe më pas me një kalim të lartë me një përforcues operacional në mes për të parandaluar që filtrat të anulojnë njëri -tjetrin. Qëllimi i kësaj faze është të prodhojë një gamë të caktuar frekuencash që do të jenë të pranueshme për të kaluar përmes pajisjes. Gama e dëshiruar për këtë pajisje është 0.5 - 150 Hz pasi kjo është diapazoni standard për EKG [6]. Për të arritur këtë gamë të synuar, ekuacioni (2) frekuenca e ndërprerjes = 1/(2πRC) është përdorur në mënyrë që të përcaktohet frekuenca e ndërprerjes si për filtrin e kalimit të lartë ashtu edhe atë të kalimit të ulët brenda brezit të brezit. Meqenëse skaji i poshtëm i diapazonit duhej të ishte 0.5 Hz, vlerat e rezistencës së filtrit të filtrit të lartë dhe kondensatorit u llogaritën të jenë 0.5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318.83µF) dhe me skajin e sipërm që duhet të jetë 150 Hz, e ulëta rezistenca e filtrit të kalimit dhe vlerat e kondensatorit u llogaritën të jenë 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1.061µF). Për të konfirmuar që diapazoni i saktë i frekuencës është arritur, një spastrim AC u krye duke përdorur LTspice.

Faza e tretë dhe e fundit e simuluar është filtri i nivelit dhe mund të shihet në Figurën 6. Filtri i nivelit shërben si një mjet për të eleminuar zhurmën e padëshiruar që ndodh në mes të intervalit të frekuencës së dëshiruar të krijuar nga brezi. Frekuenca e synuar në këtë rast është 60 Hz pasi kjo është frekuenca standarde e linjës së energjisë në Shtetet e Bashkuara dhe shkakton ndërhyrje nëse nuk trajtohet [7]. Filtri i nivelit të zgjedhur për të trajtuar këtë ndërhyrje ishte një filtër me dy nivele me dy amps op dhe një ndarës tensioni. Kjo do të lejojë që sinjali jo vetëm të filtrojë sinjalin drejtpërdrejt në frekuencën e synuar, por gjithashtu të fusë një reagim të ndryshueshëm në sistem, një faktor cilësie të rregullueshëm Q dhe dalje të ndryshueshme falë ndarësit të tensionit dhe për këtë arsye e bëri këtë një filtër aktiv në vend të një pasiv [8]. Këta faktorë shtesë megjithatë mbetën kryesisht të paprekur në testet fillestare, por do të preken në punët e ardhshme dhe si të përmirësohet projekti më vonë. Për të përcaktuar qendrën e frekuencës së refuzimit, ekuacioni (3) frekuenca e refuzimit të qendrës = 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 ishte përdorur. Për të konfirmuar se është arritur frekuenca e saktë e refuzimit, një spastrim AC u krye duke përdorur LTspice.

Së fundi, pasi secila fazë u testua veçmas, të tre fazat u kombinuan siç shihet në Figurën 7. Duhet gjithashtu të theksohet se të gjithë amplifikatorët ishin të pajisur me një furnizim me rrymë +15V dhe -15V DC në mënyrë që të lejonin amplifikim të konsiderueshëm të ndodhë kur është e nevojshme. Pastaj një test kalimtar dhe një spastrim AC u kryen në qarkun e përfunduar.

Rezultatet:

Grafikët për secilën fazë mund të gjenden drejtpërdrejt nën fazën përkatëse në pjesën Figura në shtojcë. Për fazën e parë, amplifikatorin instrumental, një test kalimtar u krye në qark në mënyrë që të testohej për të siguruar që fitimi për amplifikatorin ishte 1000. Testi u zhvillua nga 1 - 1.25 sekonda me një hap maksimal kohor prej 0.05. Tensioni i furnizuar ishte një valë sinus AC me një amplitudë 0.005 V dhe një frekuencë prej 50 Hz. Fitimi i synuar ishte 1000 dhe siç shihet në Figurën 4, pasi që Vout (kurba e gjelbër) kishte një amplitudë prej 5V. Fitimi i simuluar është llogaritur të jetë, fitimi = Vout/Vin = 5V/0.005V = 1000. Prandaj, përqindja e gabimit për këtë fazë është 0%. 0.005V u zgjodh si hyrje për këtë seksion pasi do të lidhet ngushtë me hyrjen e marrë nga një elektrodë siç u përmend në seksionin e metodave.

Faza e dytë, filtri i brezit, kishte një gamë të synuar prej 0.5 - 150 Hz. Për të testuar filtrin dhe për t'u siguruar që sfera përputhet, një dekadë, spastrimi AC u krye me 100 pikë për një dekadë nga 0.01 - 1000 Hz. Figura 5 tregon rezultatet nga spastrimi AC dhe konfirmon se një gamë frekuence prej 0.5 deri në 150 Hz u arrit sepse maksimumi minus 3 dB jep frekuencën e ndërprerjes. Kjo metodë është e ilustruar në grafik.

Faza e tretë, filtri i nivelit, u krijua për të eleminuar zhurmën e gjetur rreth 60 Hz. Qendra e llogaritur e frekuencës së refuzimit ishte ~ 56 Hz. Për të konfirmuar këtë, një dekadë, spastrimi i AC u drejtua me 100 pikë në një dekadë nga 0.01 - 1000 Hz. Figura 6 tregon rezultatet nga spastrimi AC dhe ilustron një qendër të frekuencës së refuzimit ~ 56-59 Hz. Gabimi në përqindje për këtë seksion do të ishte 4.16 %.

Pasi u konfirmua që secila fazë individuale ishte duke punuar, të tre fazat u mblodhën siç shihet në Figurën 7. Pastaj u krye një test kalimtar për të kontrolluar amplifikimin e qarkut dhe testi u zhvillua nga 1 - 1.25 sekonda me një hap kohor maksimal prej 0.05 me një tension i furnizuar i një valë sinus AC me një amplitudë 0.005 V dhe një frekuencë prej 50 Hz. Grafiku që rezulton është grafiku i parë në Figurën 7 tregon Vout3 (e kuqe), dalja e të gjithë qarkut, është 3.865 V dhe për këtë arsye fiton = 3.865V/0.005V = 773. Kjo është dukshëm e ndryshme nga fitimi i synuar prej 1000 dhe jep një gabim prej 22.7%. Pas testit kalimtar, një dekadë, spastrimi AC u krye me 100 pikë në një dekadë nga 0.01 - 1000 Hz dhe prodhoi grafikun e dytë në Figurën 7. Ky grafik nxjerr në pah rezultatet e synuara dhe tregon filtrat që punojnë së bashku për të prodhuar një filtër që pranon frekuenca nga 0.5-150 Hz me një qendër refuzimi nga 57.5-58.8 Hz.

Ekuacionet:

(1) - fitimi i amplifikatorit të instrumenteve [6], rezistorë në krahasim me ato të gjetur në Figurën 4.

(2) - frekuenca e ndërprerjes për një filtër me kalim të ulët/të lartë

(3) - për filtrin me dy nivele [8], rezistorë në krahasim me ato të gjetur në Figurën 6.

Hapi 1: Përforcuesi instrumental

Faza 1: përforcuesi instrumental

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

Hapi 2: Bandpass

faza 2: filtri i brezit

ekuacioni: frekuenca e ndërprerjes = 1/2πRC

Hapi 3: Faza 3: Filtri i nivelit

faza 3: Filtri Twin T Notch

ekuacioni - frekuenca e refuzimit të qendrës = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Hapi 4: Skema përfundimtare e të gjitha fazave së bashku

Skema përfundimtare me spastrim AC dhe kthesa kalimtare

Hapi 5: Diskutimi i pajisjes

Diskutim:

Rezultati nga testet e kryera më sipër shkoi ashtu siç pritej për qarkun në tërësi. Megjithëse amplifikimi nuk ishte i përsosur dhe sinjali u degradua pak më tej ai kaloi nëpër qark (i cili mund të shihet në Figurën 7, grafiku 1 ku sinjali u rrit nga 0.005V në 5V pas fazës së parë dhe pastaj u ul në 4V pas të dytës dhe pastaj 3.865V pas fazës përfundimtare), filtri i brezit dhe nivelit punoi ashtu siç ishte menduar dhe prodhoi një gamë frekuence prej 0.5-150 Hz me një heqje të frekuencës rreth 57.5-58.8 Hz.

Pasi vendosa parametrat për qarkun tim, e krahasova atë me dy EKG të tjerë. Një krahasim më i drejtpërdrejtë me numrat mund të gjendet në Tabelën 1. Kishte tre marrje kryesore kur krahasoja të dhënat e mia me burime të tjera të literaturës. E para ishte se amplifikimi në qarkun tim ishte dukshëm më i ulët se dy të tjerët që po krahasoja gjithashtu. Të dy qarqet e burimeve të literaturës arritën një amplifikim prej 1000 dhe në EKG të Gawali [9], sinjali u përforcua edhe më tej me një faktor prej 147 në fazën e filtrit. Prandaj, megjithëse sinjali në qarkun tim u përforcua me 773 (gabim 22.7% kur krahasohet me amplifikimin standard) dhe u konsiderua mjaftueshëm për të qenë në gjendje të interpretonte sinjalin e hyrjes nga elektroda [6], ai prapëseprap xhuxh në krahasim me amplifikimin standard është 1000. Nëse amplifikimi standard do të arrihej në qarkun tim, amplifikimi në amplifikatorin instrumental do të duhej të rritej në një faktor më të madh se 1000 në mënyrë që kur përfitimi të ulet pasi kalon nëpër secilën nga fazat e filtrit në qarkun tim, ai ende ka një fitim prej të paktën 1000 ose filtrat duhet të rregullohen në mënyrë që të parandalohen nivelet më të larta të rënies së tensionit.

Marrja e dytë kryesore ishte se të tre qarqet kishin diapazone frekuencash shumë të ngjashme. Gawali [9] kishte të njëjtën gamë të saktë prej 0.5-150 Hz ndërsa Goa [10] kishte një gamë pak më të gjerë prej 0.05-159 Hz. Qarku i Goa kishte këtë mospërputhje të vogël sepse ai diapazon i përshtatej më shumë kartës së marrjes së të dhënave që po përdorej në konfigurimin e tyre.

Marrja e fundit kryesore ishte ndryshimet në qendrën e frekuencave të refuzimit të arritura nga filtrat e nivelit në secilin qark. Qarku i Gaos dhe ai im të dy kishin një objektiv prej 60 Hz në mënyrë që të shtypnin zhurmën e frekuencës së linjës që shkaktoi linjat e energjisë ndërsa ai i Gawali ishte vendosur në 50 Hz. Sidoqoftë, kjo mospërputhje është e mirë pasi në varësi të vendndodhjes në botë, frekuenca e linjës së energjisë mund të jetë 50 ose 60 Hz. Prandaj, një krahasim i drejtpërdrejtë u bë vetëm me qarkun e Goas pasi ndërhyrja e linjës së energjisë në Shtetet e Bashkuara është 60 Hz [11]. Gabimi në përqindje është 3.08%.