Förvärv, förstärkning och filtreringskretsdesign av ett grundläggande elektrokardiogram: 6 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:36

För att slutföra detta instruerbara är det enda som behövs en dator, internetåtkomst och lite simuleringsprogram. För denna design kommer alla kretsar och simuleringar att köras på LTspice XVII. Denna simuleringsprogramvara innehåller bibliotek med över 1 000 komponenter vilket gör det enkelt att skapa kretsar. Eftersom dessa kretsar kommer att generaliseras kommer "UniversalOpAmp2" att användas för varje instans där en op-amp behövs. Dessutom drivs varje op -amp med en +15V och -15V strömförsörjning. Dessa nätaggregat driver inte bara op-förstärkaren utan klämmer också utspänningen om den skulle nå någon av dessa två extrema.

Steg 1: Instrumentförstärkare Design

Efter att signalen har förvärvats måste den förstärkas för att utföra beräkningar och filtrera på den. För elektrokardiogram är den vanligaste amplifieringsmetoden instrumentationsförstärkaren. Som nämnts ovan har instrumentationsförstärkaren många fördelar när det gäller förstärkningskretsar, den största är den höga impedansen mellan ingångsspänningarna. För att konstruera denna krets användes 3 op-ampere i kombination med sju motstånd, varav sex av motstånden var lika stora. Förstärkningen för de flesta elektrokardiogram är cirka 1000 gånger insignalen [1]. Ekvationen för förstärkningen för en instrumentförstärkare är följande: Gain = 1 + (2 * R1/R2) * (R7/R6). För enkelhetens skull antogs varje motstånd vara 1000 ohm, förutom R2, som bestämdes vara 2 ohm. Dessa värden ger en förstärkning på 1001 gånger större än ingångsspänningen. Denna förstärkning är tillräcklig för att förstärka de förvärvade signalerna för vidare analys. Men med hjälp av ekvationen kan förstärkningen vara vad man vill för sin kretsdesign.

Steg 2: Bandpassfilterdesign

Ett bandpassfilter är ett högpassfilter och ett lågpassfilter som arbetar i samordning vanligtvis med en op-amp för att tillhandahålla det som kallas ett passband. Ett passband är ett frekvensintervall som kan passera medan alla andra, ovan och nedan, får avslag. Branschstandarder anger att ett standardelektrokardiogram måste ha ett passband från 0,5 Hz till 150 Hz [2]. Detta stora passband säkerställer att all elektrisk signal från hjärtat registreras och inget av det filtreras bort. På samma sätt avvisar detta passband alla DC -förskjutningar som kan störa signalen. För att designa detta måste specifika motstånd och kondensatorer väljas så att högpassningsavstängningsfrekvensen är vid 0,5 Hz och lågpassningsavbrottet vid 150 Hz. Avstängningsfrekvensekvationen för både högpass och lågpassfilter är följande: Fc = 1/(2*pi*RC). För mina beräkningar valdes ett godtyckligt motstånd, sedan med ekvation 4 beräknades ett kondensatorvärde. Därför kommer högpassfiltret att ha ett motståndsvärde på 100 000 ohm och ett kondensatorvärde på 3,1831 mikrofarader. På samma sätt kommer lågpassfiltret att ha ett motståndsvärde på 100 000 ohm och ett kondensatorvärde på 10,61 nanofarader. Ett diagram över bandpassfiltret med de justerade värdena visas.

Steg 3: Notch Filter Design

Ett hackfilter är i huvudsak motsatsen till ett bandpassfilter. Istället för att ha ett högpass följt av ett lågpass, är det ett lågpass följt av ett högpass, därför kan man i huvudsak eliminera ett litet band av brus. För elektrokardiogrammets hackfilter användes ett Twin-T-hackfilter. Denna design möjliggör filtrering av en mittfrekvens och ger en stor kvalitetsfaktor. I detta fall var mittfrekvensen att bli av med vid 60 Hz. Med hjälp av ekvation 4 beräknades motståndsvärdena med användning av ett givet kondensatorvärde på 0,1 mikrofarader. De beräknade motståndsvärdena för ett 60 Hz stoppband var 26, 525 ohm. Därefter beräknades R5 till ½ av R3 och R4. C3 beräknades också som dubbelt det värde som valts för C1 och C2 [3]. Godtyckliga motstånd valdes för R1 och R2.

Steg 4: Kombinationskrets

Med hjälp av nät placerades dessa komponenter i serie tillsammans och bilden av den färdiga kretsen är avbildad. Enligt ett papper publicerat av Springer Science bör en acceptabel förstärkning av EKG -kretsen vara cirka 70 dB när hela kretsen är upprättad [4].

Steg 5: Testa hela kretsen

När alla komponenter placerades i en serie behövdes validering av konstruktionen. Genom att testa denna krets utfördes både ett transient- och AC -svep för att avgöra om alla komponenter fungerade i samklang. Om detta var fallet skulle den övergående utspänningen fortfarande vara cirka 1000 gånger ingångsspänningen. På samma sätt, när AC-svepningen genomfördes, förväntades en band-passfilterplott med ett snäpp vid 60 Hz. När man tittade på bilderna på bilden kunde denna krets framgångsrikt uppnå båda dessa mål. Ett annat test var att se hackfilterets effektivitet. För att testa detta skickades en 60 Hz signal genom kretsen. Som på bilden var storleken på denna utgång bara cirka 5x större än ingången, jämfört med 1000x när frekvensen ligger inom passbandet.

Steg 6: Resurser:

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

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

[3]”Bandstoppfilter kallas Avvisa filter”, Grundläggande elektronikutbildningar, 22 maj 2018.

[4] N. Guler och U. Fidan, "Trådlös överföring av EKG -signal", Springer Science, vol. 30, april 2005, doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.