Peruskardiogrammin hankinta, vahvistaminen ja suodatuspiirin suunnittelu: 6 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 08:59

Tämän ohjeen suorittamiseksi tarvitaan vain tietokone, Internet -yhteys ja jotkut simulointiohjelmistot. Tätä suunnittelua varten kaikki piirit ja simulaatiot ajetaan LTspice XVII: llä. Tämä simulointiohjelmisto sisältää yli 1 000 komponentin kirjastoja, mikä tekee piirien luomisesta erittäin helppoa. Koska nämä piirit yleistetään,”UniversalOpAmp2” -laitetta käytetään kaikissa tapauksissa, joissa tarvitaan op-vahvistinta. Lisäksi jokainen op -vahvistin sai virtansa +15V ja -15V virtalähteestä. Nämä virtalähteet eivät ainoastaan käytä op-vahvistinta, vaan myös leikkaavat lähtöjännitteen, jos se saavuttaa jommankumman näistä kahdesta ääripäästä.

Vaihe 1: Instrumentation Vahvistimen suunnittelu

Kun signaali on hankittu, sitä on vahvistettava laskelmien suorittamiseksi ja suodattamiseksi. Elektrokardiogrammeissa yleisin vahvistustapa on instrumenttivahvistin. Kuten edellä mainittiin, instrumentointivahvistimella on monia etuja vahvistinpiireissä, joista suurin on tulojännitteiden välinen korkea impedanssi. Tämän piirin rakentamiseksi käytettiin 3 op-vahvistinta yhdessä seitsemän vastuksen kanssa, joista kuusi vastusta oli suuruudeltaan vastaavia. Useimpien elektrokardiogrammien vahvistus on noin 1000 kertaa tulosignaali [1]. Instrumenttivahvistimen vahvistuksen yhtälö on seuraava: Vahvistus = 1 + (2 * R1/R2) * (R7/R6). Yksinkertaisuuden vuoksi jokaisen vastuksen oletettiin olevan 1000 ohmia, paitsi R2, jonka määritettiin olevan 2 ohmia. Nämä arvot antavat 1001 kertaa suuremman vahvistuksen kuin tulojännite. Tämä vahvistus riittää vahvistamaan hankitut signaalit jatkoanalyysiä varten. Kuitenkin käyttämällä yhtälöä voitto voi olla mikä tahansa, jota halutaan niiden piirisuunnittelulle.

Vaihe 2: Kaistanpäästösuodattimen suunnittelu

Kaistanpäästösuodatin on ylipäästösuodatin ja alipäästösuodatin, jotka toimivat koordinoidusti yleensä op-vahvistimen kanssa, jotta saadaan aikaan niin sanottu pääsykaista. Pääsykaista on taajuusalue, joka voi kulkea, kun kaikki muut, ylä- ja alapuolella, hylätään. Alan standardien mukaan vakiokardiogrammissa on oltava taajuusalue 0,5 Hz - 150 Hz [2]. Tämä suuri pääsykaista varmistaa, että kaikki sydämen sähköinen signaali tallennetaan eikä mitään suodateta pois. Samoin tämä pääsykaista hylkää kaikki DC -poikkeamat, jotka voivat häiritä signaalia. Tämän suunnittelua varten erityiset vastukset ja kondensaattorit on valittava siten, että ylipäästön rajataajuus on 0,5 Hz ja alipäästön rajataajuus 150 Hz. Sekä ylipäästön että alipäästösuodattimen rajataajuusyhtälö on seuraava: Fc = 1/(2*pi*RC). Laskelmiini valittiin mielivaltainen vastus, ja sitten yhtälöä 4 käyttäen laskettiin kondensaattorin arvo. Siksi ylipäästösuodattimen vastuksen arvo on 100 000 ohmia ja kondensaattorin arvo 3,1831 mikrofaradia. Samoin alipäästösuodattimen vastuksen arvo on 100 000 ohmia ja kondensaattorin arvo 10,61 nano-faradia. Kuvassa on kaistanpäästösuodatin, jossa on säädetyt arvot.

Vaihe 3: Lovisuodattimen suunnittelu

Lovisuodatin on olennaisesti kaistanpäästösuodattimen vastakohta. Ylä- ja alipäästön ja matalan läpäisyn sijasta se on alipäästö, jota seuraa ylipäästö, joten voidaan poistaa olennaisesti yksi pieni kohina. Elektrokardiogrammin lovisuodattimessa käytettiin Twin-T-lovisuodatinta. Tämä muotoilu mahdollistaa keskitaajuuden suodattamisen ja tarjoaa suuren laatutekijän. Tässä tapauksessa poistettava keskitaajuus oli 60 Hz. Käyttämällä yhtälöä 4, vastusarvot laskettiin käyttämällä annettua kondensaattorin arvoa 0,1 mikrofaradia. Lasketut vastuksen arvot 60 Hz: n pysäytyskaistalle olivat 26, 525 ohmia. Sitten R5 laskettiin olevan ½ ryhmistä R3 ja R4. C3 laskettiin myös kaksinkertaisena arvoon C1 ja C2 [3]. R1: lle ja R2: lle valittiin mielivaltaisia vastuksia.

Vaihe 4: Yhdistelmäpiiri

Verkkoja käyttämällä nämä komponentit asetettiin sarjaan yhdessä ja kuva valmiista piiristä kuvataan. Springer Science -julkaisun julkaisun mukaan EKG -piirin hyväksyttävän vahvistuksen tulisi olla noin 70 dB, kun koko piiri on muodostettu [4].

Vaihe 5: Koko piirin testaus

Kun kaikki komponentit sijoitettiin sarjaan, suunnittelun validointi oli tarpeen. Tätä piiriä testattaessa suoritettiin sekä ohimenevä että AC -pyyhkäisy sen määrittämiseksi, toimivatko kaikki komponentit yhdessä. Jos näin olisi, ohimenevä lähtöjännite olisi edelleen noin 1000 kertaa tulojännite. Samoin, kun AC-pyyhkäisy suoritettiin, kaistanpäästösuodattimen bodekaaviota odotettaisiin lovella 60 Hz: llä. Katsomalla kuvia, tämä piiri pystyi saavuttamaan molemmat tavoitteet onnistuneesti. Toinen testi oli nähdä lovisuodattimen tehokkuus. Tämän testaamiseksi piirin läpi johdettiin 60 Hz: n signaali. Kuten kuvassa, tämän ulostulon suuruus oli vain noin 5x suurempi kuin tulo, verrattuna 1000x: iin, kun taajuus on pääsykaistan sisällä.

Vaihe 6: Resurssit:

[1]”EKG -mittausjärjestelmä”, Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (käytetty 1. joulukuuta, klo. 2020).

[2] L. G. Tereshchenko ja M. E. Josephson,”Kammioiden johtumistiheyden sisältö ja ominaisuudet”, Journal of electrocardiology, voi. 48, ei. 6, s. 933–937, 2015, doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3]”Band Stop Filters on nimeltään Reject Filters”, Basic Electronics Tutorials, 22. toukokuuta 2018.

[4] N. Guler ja U. Fidan,”EKG -signaalin langaton lähetys”, Springer Science, voi. 30. huhtikuuta 2005, doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.