Automatiserat EKG: Amplifiering och filtersimuleringar med LTspice: 5 steg

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

Detta är bilden av den slutliga enheten som du ska bygga och en mycket djupgående diskussion om varje del. Beskriver också beräkningarna för varje steg.

Bilden visar blockdiagram för denna enhet

Metoder och material:

Syftet med detta projekt var att utveckla en signalinsamlingsanordning för att karakterisera en specifik biologisk signal/samla relevant data på signalen. Mer specifikt ett automatiserat EKG. Blockschemat som visas i figur 3 belyser den föreslagna schematiken för enheten. Enheten skulle ta emot den biologiska signalen via en elektrod och sedan förstärka den med en förstärkare med en förstärkning på 1000. Denna förstärkning är nödvändig eftersom den biologiska signalen kommer att vara mindre vid cirka 5 mV vilket är mycket litet och kan vara svårt att tolka [5]. Efteråt skulle bruset reduceras med ett bandpassfilter för att få det önskade frekvensområdet för signalen, 0,5-150 Hz, och sedan skulle ett hack följa för att ta bort det normala omgivande bruset som orsakas av kraftledningar som finns runt 50-60 Hz [11]. Slutligen måste signalen sedan konverteras till digital så att den kan tolkas med hjälp av en dator och detta görs med en analog till digital omvandlare. I denna studie kommer dock fokus i första hand att ligga på förstärkaren, bandpassfilter och hackfilter.

Förstärkaren, bandpassfiltret och hackfilter var alla designade och simulerade med LTSpice. Varje sektion utvecklades först separat och testades för att se till att de fungerade korrekt och sedan sammanfogade till ett slutligt schema. Förstärkaren, som kan ses i figur 4, är designad och baserad på en instrumentell förstärkare. En instrumentförstärkare används vanligtvis i EKG, temperaturmonitorer och till och med jordbävningsdetektorer eftersom den kan förstärka en mycket låg signalnivå samtidigt som överskott av brus avvisas. Det är också mycket enkelt att ändra för att justera för vilken förstärkning som behövs [6]. Den önskade förstärkningen för kretsen är 1000 och denna valdes eftersom ingången från elektroden kommer att vara en växelsignal mindre än 5 mV [5] och måste förstärkas för att göra data lättare att tolka. För att få en förstärkning på 1000 användes ekvation (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3) vilket därför gav GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω)/101.01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. För att bekräfta att rätt mängd amplifiering uppnåddes utfördes ett övergående test med LTspice.

Det andra steget var ett bandpassfilter. Detta filter kan ses i figur 5 och består av ett lågpass och sedan ett högpassfilter med en driftförstärkare emellan för att förhindra att filtren avbryter varandra. Syftet med detta steg är att producera ett angivet frekvensintervall som är acceptabelt att passera genom enheten. Det önskade området för denna enhet är 0,5 - 150 Hz eftersom detta är standardområdet för EKG [6]. För att uppnå detta målintervall användes ekvation (2) avstängningsfrekvens = 1/(2πRC) för att bestämma avstängningsfrekvensen för både högpass- och lågpassfiltret inom bandpasset. Eftersom den nedre änden av intervallet måste vara 0,5 Hz beräknades högpassfiltermotståndet och kondensatorvärdena till 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83µF) och med övre änden som måste vara 150 Hz, den låga passfiltermotstånd och kondensatorvärden beräknades till 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1.061µF). För att bekräfta att rätt frekvensintervall uppnåddes kördes ett AC -svep med LTspice.

Det tredje och sista simulerade steget är hackfilteret och kan ses i figur 6. Notfiltret fungerar som ett medel för att eliminera oönskat brus som uppstår i mitten av det önskade frekvensområdet som skapas av bandpasset. Målfrekvensen i detta fall är 60 Hz eftersom det är den vanliga kraftledningsfrekvensen i USA och kan orsaka störningar om den inte hanteras [7]. Det hackfilter som valdes för att hantera denna störning var ett filter med två t -skåror med två op -förstärkare och en spänningsdelare. Detta gör det möjligt för signalen att inte bara filtrera bort signalen direkt vid målfrekvensen utan också införa en variabel återkoppling i systemet, en justerbar kvalitetsfaktor Q och variabel utgång tack vare spänningsdelaren och därför gjort detta till ett aktivt filter istället för en passiv [8]. Dessa extra faktorer lämnades dock mestadels orörda i de första testerna, men kommer att beröras i framtida arbeten och hur man kan förbättra projektet senare. För att bestämma centrum för avvisningsfrekvensen, är ekvation (3) centrumavvisningsfrekvens = 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 användes. För att bekräfta att rätt avvisningsfrekvens uppnåddes kördes ett AC -svep med LTspice.

Slutligen, efter att varje steg testats separat, kombinerades de tre stegen enligt figur 7. Det bör också noteras att alla op -förstärkare var försedda med en +15V och -15V DC strömförsörjning för att möjliggöra betydande förstärkning inträffa vid behov. Sedan utfördes både ett övergående test och ett AC -svep på den färdiga kretsen.

Resultat:

Graferna för varje steg kan hittas direkt under respektive steg i figuravsnittet i bilagan. För det första steget, den instrumentella förstärkaren, kördes ett övergående test på kretsen för att testa för att säkerställa att förstärkningen för förstärkaren var 1000. Testet kördes från 1 - 1,25 sekunder med ett maximalt tidssteg på 0,05. Den matade spänningen var en AC -sinusvåg med en amplitud på 0,005 V och en frekvens på 50 Hz. Den avsedda förstärkningen var 1000 och som framgår av figur 4, eftersom Vout (den gröna kurvan) hade en amplitud på 5V. Den simulerade förstärkningen beräknades vara, förstärkning = Vout/Vin = 5V/0,005V = 1000. Därför är procentfelet för detta steg 0%. 0,005V valdes som ingång för detta avsnitt eftersom det kommer att nära relatera till ingången mottagen från en elektrod som nämns i metodavsnittet.

Det andra steget, bandpassfiltret, hade ett målintervall på 0,5 - 150 Hz. För att testa filtret och se till att intervallet matchade, ett decennium, kördes AC -svep med 100 poäng per decennium från 0,01 - 1000 Hz. Figur 5 visar resultaten från AC -svepningen och bekräftar att ett frekvensintervall på 0,5 till 150 Hz uppnåddes eftersom det maximala minus 3 dB ger cutoff -frekvensen. Denna metod illustreras i diagrammet.

Det tredje steget, hackfilter, var utformat för att eliminera bullret som hittades runt 60 Hz. Den beräknade avstötningsfrekvensen var ~ 56 Hz. För att bekräfta detta, ett decennium, kördes AC -svep med 100 poäng per decennium från 0,01 - 1000 Hz. Figur 6 visar resultaten från AC-svepningen och illustrerar ett centrum för avvisningsfrekvens ~ 56-59 Hz. Procentfel för detta avsnitt skulle 4,16 %.

Efter att ha bekräftat att varje enskilt steg fungerade, samlades de tre stegen sedan enligt figur 7. Sedan kördes ett övergående test för att kontrollera förstärkning av krets och testet kördes från 1 - 1,25 sekunder med ett maximalt tidssteg på 0,05 med en levererad spänning för en AC -sinusvåg med en amplitud på 0,005 V och en frekvens på 50 Hz. Den resulterande grafen är den första grafen i figur 7 visar Vout3 (röd), utgången från hela kretsen är 3,865 V och gör därför förstärkningen = 3,865V/0,005V = 773. Detta är väsentligt annorlunda än den avsedda förstärkningen på 1000 och ger ett fel på 22,7%. Efter det övergående testet, ett decennium, kördes AC -svep med 100 poäng per decennium från 0,01 - 1000 Hz och producerade den andra grafen i figur 7. Denna graf belyser de avsedda resultaten och visar filtren som arbetar tillsammans för att producera ett filter som accepterar frekvenser från 0,5-150 Hz med ett avstötningscentrum från 57,5-58,8 Hz.

Ekvationer:

(1) - förstärkning av instrumentförstärkaren [6], motstånd i förhållande till dem som finns i figur 4.

(2) - avstängningsfrekvens för låg-/högpassfilter

(3) - för dubbla t -skårfilter [8], motstånd i förhållande till dem som finns i figur 6.

Steg 1: Instrumentationsförstärkare

Steg 1: den instrumentella förstärkaren

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

Steg 2: Bandpass

steg 2: bandpassfilter

ekvation: cutoff -frekvens = 1/2πRC

Steg 3: Steg 3: Notch Filter

steg 3: Twin T Notch -filter

ekvation - centrumavvisningsfrekvens = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Steg 4: Slutschema över alla steg tillsammans

Slutschema med AC -svep och övergående kurvor

Steg 5: Diskussion om enhet

Diskussion:

Resultatet från ovan utförda tester gick som förväntat för kretsen som helhet. Även om förstärkningen inte var perfekt och signalen försämrades något ju längre den gick genom kretsen (vilket kan ses i figur 7, graf 1 där signalen ökade från 0,005V till 5V efter det första steget och sedan minskade till 4V efter det andra och sedan 3,865V efter det sista steget) fungerade bandpass och hackfilter som avsett men producerade ett frekvensområde på 0,5–150 Hz med en frekvensborttagning på cirka 57,5-58,8 Hz.

Efter att ha fastställt parametrarna för min krets jämförde jag den sedan med två andra EKG. En mer direkt jämförelse med bara siffror finns i tabell 1. Det fanns tre stora takeaways när jag jämförde mina data med andra litteraturkällor. Den första var att förstärkningen i min krets var betydligt lägre än de två andra jag jämförde också. Båda litteraturkällornas kretsar uppnådde en förstärkning på 1000 och i Gawalis EKG [9] förstärktes signalen ytterligare med en faktor 147 i filtersteget. Därför, även om signalen i min krets förstärktes med 773 (22,7% fel vid jämförelse med standardförstärkning) och ansågs tillräckligt för att kunna tolka insignalen från elektroden [6], dvärgades den fortfarande i jämförelse med standardförstärkningen. 1000. Om standardförstärkning skulle uppnås i min krets, skulle förstärkningen i den instrumentella förstärkaren behöva ökas till en faktor större än 1000 så att när förstärkningen trappas ner efter att ha passerat genom vart och ett av filterstegen i min krets, den har fortfarande en förstärkning på minst 1000 eller så måste filtren justeras för att förhindra högre spänningsfall.

Den andra stora takeawayen var att alla tre kretsarna hade mycket lika frekvensområden. Gawalis [9] hade exakt samma intervall på 0,5-150 Hz medan Goa [10] hade ett något bredare intervall på 0,05-159 Hz. Goas krets hade denna lilla skillnad eftersom det intervallet passade bättre för datainsamlingskortet som användes i deras installation.

Den sista stora takeaway var skillnaderna i mitten av avvisningsfrekvenser som uppnås med hackfilterna i varje krets. Gaos och min krets hade båda ett mål på 60 Hz för att undertrycka nätfrekvensbruset orsakade kraftledningar medan Gawalis var inställd på 50 Hz. Denna skillnad är emellertid bra eftersom beroende på platsen i världen kan kraftledningsfrekvensen vara 50 eller 60 Hz. Därför gjordes en direkt jämförelse med Goa -kretsen eftersom störningar i kraftledningen i USA är 60 Hz [11]. Procentfelet är 3,08%.