Pagkuha, Paglaki, at Pag-filter ng Disenyo ng Circuit ng isang Pangunahing Electrocardiogram: 6 na Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:10

Upang makumpleto ang maituturo na ito, ang mga bagay lamang na kinakailangan ay isang computer, internet access, at ilang simulation software. Para sa mga layunin ng disenyo na ito, ang lahat ng mga circuit at simulation ay tatakbo sa LTspice XVII. Naglalaman ang simulation software na ito ng mga aklatan ng higit sa 1, 000 na mga sangkap na ginagawang napakadali sa paglikha ng mga circuit. Dahil ang mga circuit na ito ay gagawing pangkalahatan, ang "UniversalOpAmp2" ay gagamitin para sa bawat pagkakataon kung saan kailangan ng isang op-amp. Bilang karagdagan, ang bawat op-amp ay pinalakas ng isang + 15V at -15V power supply. Ang mga power supply na ito ay hindi lamang nagpapagana sa op-amp kundi pati na rin ang clip ng output voltage kung maabot nito ang alinman sa dalawang extrema na iyon.

Hakbang 1: Disenyo ng Amplifier ng Instrumentation

Matapos ang signal ay nakuha, kailangan itong palakasin upang maisagawa ang mga kalkulasyon at pag-filter dito. Para sa electrocardiograms, ang pinakakaraniwang pamamaraan ng amplification ay ang instrumentation amplifier. Tulad ng nabanggit na, ang instrumentation amplifier ay may maraming mga pakinabang pagdating sa amplification circuit, ang pinakamalaking pagiging mataas na impedance sa pagitan ng mga input voltages. Upang maitayo ang circuit na ito, 3 op-amp ang ginamit kasabay ng pitong resistors, na may anim na resistors na katumbas ng lakas. Ang nakuha ng karamihan sa mga electrocardiograms ay nasa paligid ng 1000x ang input signal [1]. Ang equation para sa pagkakaroon ng isang instrumentation amplifier ay ang mga sumusunod: Gain = 1 + (2 * R1 / R2) * (R7 / R6). Para sa pagiging simple, ang bawat risistor ay ipinapalagay na 1000 ohm, maliban sa R2, na tinukoy na 2 ohm. Ang mga halagang ito ay nagbibigay ng isang makakuha ng 1001 beses na mas malaki kaysa sa input boltahe. Ang pagkakaroon na ito ay sapat upang palakasin ang mga nakuha na signal para sa karagdagang pagsusuri. Gayunpaman, gamit ang equation, ang makakuha ay maaaring maging anuman ang nais para sa kanilang disenyo ng circuit.

Hakbang 2: Disenyo ng Filter ng Band Pass

Ang isang bandpass filter ay isang mataas na pass filter at isang mababang pass filter na nagtatrabaho sa koordinasyon na karaniwang may isang op-amp upang maibigay ang kilala bilang isang passband. Ang passband ay isang saklaw ng mga frequency na maaaring pumasa habang lahat ng iba, sa itaas at sa ibaba, ay tinanggihan. Sinasabi ng mga pamantayan ng industriya na ang isang pamantayan ng electrocardiogram ay dapat magkaroon ng isang passband mula 0.5 Hz hanggang 150 Hz [2]. Ang malaking passband na ito ay nagsisiguro na ang lahat ng mga de-koryenteng signal mula sa puso ay naitala at wala sa mga ito ay nai-filter. Gayundin, tinatanggihan ng passband na ito ang anumang DC offset na maaaring makagambala sa signal. Upang idisenyo ito, ang mga tiyak na resistor at capacitor ay dapat piliin upang ang mataas na dalas ng cutoff pass ay nasa 0.5 Hz at ang low pass cutoff frequency ay nasa 150 Hz. Ang equation ng dalas ng cutoff para sa parehong mataas na pass at ang mababang pass filter ay ang mga sumusunod: Fc = 1 / (2 * pi * RC). Para sa aking mga kalkulasyon, isang arbitrary na risistor ang napili, pagkatapos ay gumagamit ng Equation 4, isang halaga ng capacitor ay kinakalkula. Samakatuwid, ang high pass filter ay magkakaroon ng resistor na halaga na 100, 000 ohms at isang halaga ng capacitor na 3.1831 microfarads. Gayundin, ang low pass filter ay magkakaroon ng resistor na halaga na 100, 000 ohms at isang halaga ng capacitor na 10.61 nano-farads. Ang isang diagram ng filter ng bandpass na may naayos na mga halaga ay ipinapakita.

Hakbang 3: Disenyo ng Filter ng Notch

Ang isang filter ng bingaw ay mahalagang kabaligtaran ng isang filter ng bandpass. Sa halip na magkaroon ng isang mataas na pass na sinusundan ng isang mababang pass, ito ay isang mababang pass na sinusundan ng isang mataas na pass, samakatuwid ang isa ay maaaring maalis ang isang maliit na banda ng ingay. Para sa filter ng bingaw ng electrocardiogram, ginamit ang isang disenyo ng Twin-T notch filter. Pinapayagan ng disenyo na ito na ma-filter ang isang dalas ng gitna at nagbibigay ng isang malaking kadahilanan sa kalidad. Sa kasong ito, ang dalas ng gitna upang mapupuksa ay nasa 60 Hz. Gamit ang Equation 4, ang mga halaga ng risistor ay kinakalkula gamit ang isang naibigay na halaga ng capacitor na 0.1 microfarads. Ang kinakalkula na mga halaga ng risistor para sa isang 60 Hz stop band ay 26, 525 ohms. Pagkatapos ang R5 ay kinakalkula na ½ ng R3 at R4. Ang C3 ay kinakalkula din bilang doble ng halagang pinili para sa C1 at C2 [3]. Ang mga di-makatwirang resistors ay pinili para sa R1 at R2.

Hakbang 4: Circuit ng Kumbinasyon

Gamit ang mga lambat, ang mga sangkap na ito ay nakalagay sa magkakasunod na serye at ang larawan ng nakumpleto na circuit ay nakalarawan. Ayon sa isang papel na inilathala ng Springer Science, ang isang katanggap-tanggap na nakuha ng ECG circuit ay dapat na nasa 70 dB kapag naayos ang buong circuit [4].

Hakbang 5: Pagsubok sa Buong Circuit

Kapag ang lahat ng mga bahagi ay inilagay sa isang serye, kinakailangan ang pagpapatunay ng disenyo. Ang pagsubok sa circuit na ito, kapwa isang lumilipas at pagwawalis ng AC ay isinasagawa upang matukoy kung lahat ng mga sangkap ay nagtatrabaho nang magkakasabay. Kung ito ang kaso, ang pansamantalang output boltahe ay magiging tungkol sa 1000x na boltahe ng pag-input. Gayundin, kapag ang AC sweep ay isinasagawa, ang isang band-pass filter bode plot ay inaasahan na may isang bingaw sa 60 Hz. Sa pagtingin sa mga larawang nakalarawan, matagumpay na nagawa ng circuit na ito ang pareho ng mga layuning iyon. Ang isa pang pagsubok ay upang makita ang kahusayan ng filter ng bingaw. Upang subukan ito, isang 60 Hz signal ang naipasa sa circuit. Tulad ng nakalarawan, ang lakas ng output na ito ay halos 5x lamang mas malaki kaysa sa input, kumpara sa 1000x kapag ang dalas ay nasa loob ng passband.

Hakbang 6: Mga Mapagkukunan:

[1] "Sistema ng Pagsukat ng ECG," Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (na-access noong Dis. 01, 2020).

[2] L. G. Tereshchenko at M. E. Josephson, "Nilalaman ng Frequency at Mga Katangian ng Ventricular Conduction," Journal of electrocardiology, vol. 48, hindi. 6, pp. 933–937, 2015, doi: 10.1016 / j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] "Ang Mga Filter ng Stop ng Band ay tinatawag na Mga Tanggalin ang Mga Filter," Basic Electronics Tutorials, May 22, 2018.

[4] N. Guler at U. Fidan, "Wireless Transmission of ECG signal," Springer Science, vol. 30, Abr. 2005, doi: 10.1007 / s10916-005-7980-5.