Awtomatikong ECG: Paglaki at Pag-filter ng Mga Simulation Paggamit ng LTspice: 5 Hakbang

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

Ito ang larawan ng panghuling aparato na iyong itatayo at isang napakalalim na talakayan tungkol sa bawat bahagi. Inilalarawan din ang mga kalkulasyon para sa bawat yugto.

Ipinapakita ng imahe ang block diagram para sa aparatong ito

Mga Paraan at Materyales:

Ang layunin ng proyektong ito ay upang bumuo ng isang aparato ng pagkuha ng signal upang makilala ang isang tukoy na biological signal / mangolekta ng nauugnay na data sa signal. Mas partikular, isang awtomatikong ECG. Ang block diagram na ipinakita sa Larawan 3 ay nagpapakita ng iminungkahing iskematiko para sa aparato. Ang aparato ay makakatanggap ng biological signal sa pamamagitan ng isang elektrod at pagkatapos ay palakasin ito gamit ang isang amplifier na may pakinabang na 1000. Ang amplification na ito ay kinakailangan dahil ang biological signal ay magiging mas mababa sa tungkol sa 5mV na napakaliit at maaaring mahirap bigyang kahulugan [5]. Pagkatapos, ang ingay ay mababawasan gamit ang isang bandpass filter upang makuha ang nais na saklaw ng dalas para sa signal, 0.5-150 Hz, at pagkatapos ay susundan ang isang bingaw upang maalis ang normal na nakapaligid na ingay na dulot ng mga powerline na matatagpuan sa paligid ng 50-60 Hz [11]. Panghuli, ang signal pagkatapos ay kailangang i-convert sa digital upang maaari itong bigyang-kahulugan gamit ang isang computer at ginagawa ito sa isang analog sa digital converter. Sa pag-aaral na ito gayunpaman, ang pokus ay pangunahin sa amplifier, bandpass filter, at notch filter.

Ang amplifier, bandpass filter, at filter ng notch ay pawang dinisenyo at na-simulate gamit ang LTSpice. Ang bawat seksyon ay unang binuo nang hiwalay at nasubukan upang matiyak na maayos ang kanilang pagganap at pagkatapos ay pinagsama sa isang huling eskematiko. Ang amplifier, na maaaring makita sa figure 4, ay dinisenyo at batay sa isang instrumentational amplifier. Ang isang instrumentation amplifier ay karaniwang ginagamit sa ECGs, mga monitor ng temperatura, at kahit na mga detector ng lindol sapagkat maaari nitong palakasin ang isang napakababang antas ng signal habang tinatanggihan ang labis na ingay. Napakadali din nitong baguhin upang maiakma ang anumang nakuha na kailangan [6]. Ang nais na pakinabang para sa circuit ay 1000 at ito ay napili dahil ang input mula sa elektrod ay magiging isang AC signal na mas mababa sa 5 mV [5] at kailangang palakasin upang mas madaling maipaliwanag ang data. Upang makakuha ng isang makakuha ng isang 1000, ginamit ang equation (1) GAIN = (1+ (R2 + R4) / R1) (R6 / R3) na kung saan ay nagbigay ng GAIN = (1+ (5000Ω + 5000Ω) /101.01Ω) (1000Ω / 100Ω) = 1000. Upang makumpirma ang wastong dami ng amplification na nakamit, isang pansamantalang pagsubok ay isinasagawa gamit ang LTspice.

Ang pangalawang yugto ay ang isang filter ng bandpass. Ang filter na ito ay maaaring makita sa Figure 5 at binubuo ng isang mababang pass at pagkatapos ay isang high pass filter na may isang pagpapatakbo amplifier sa pagitan upang maiwasan ang mga filter mula sa pagkansela sa bawat isa. Ang layunin ng yugtong ito ay upang makabuo ng isang hanay ng hanay ng mga frequency na katanggap-tanggap na dumaan sa aparato. Ang nais na saklaw para sa aparatong ito ay 0.5 - 150 Hz dahil ito ang karaniwang saklaw para sa ECG [6]. Upang makamit ang saklaw ng target na ito, ginamit ang equation (2) cutoff frequency = 1 / (2πRC) upang matukoy ang dalas ng cutoff para sa parehong mataas na pass at low pass filter sa loob ng bandpass. Dahil ang mas mababang dulo ng saklaw na kinakailangan upang maging 0,5 Hz, ang mataas na pass pass resistor at mga halaga ng capacitor ay kinakalkula upang maging 0.5 Hz = 1 / (2π * 1000Ω * 318.83µF) at sa itaas na dulo na nangangailangan ng 150 Hz, ang mababa ang mga halaga ng pass resistor at capacitor ay kinakalkula na 150 Hz = 1 / (2π * 1000Ω * 1.061µF). Upang makumpirma na ang wastong saklaw ng dalas ay nakamit, isang AC sweep ay pinatakbo gamit ang LTspice.

Ang pangatlo at panghuling simulate na yugto ay ang notch filter at maaaring makita sa Larawan 6. Ang notch filter ay nagsisilbing isang paraan upang maalis ang hindi kanais-nais na ingay na nangyayari sa gitna ng nais na saklaw ng dalas na nilikha ng bandpass. Ang dalas ng target sa kasong ito ay 60 Hz dahil iyon ang pamantayan ng dalas ng linya ng kuryente sa Estados Unidos at maging sanhi ng pagkagambala kung hindi haharapin [7]. Ang napili na filter ng bingaw upang mapanghawakan ang pagkagambala na ito ay isang kambal t bingaw na filter na may dalawang op amp at isang voltner divider. Papayagan nito ang signal na hindi lamang mag-filter ng signal nang direkta sa target na dalas ngunit magpapakilala rin ng variable na feedback sa system, isang naaayos na factor ng kalidad na Q, at variable na output na salamat sa voltage divider at samakatuwid ay ginawa itong isang aktibong filter sa halip na isang passive [8]. Ang mga labis na kadahilanan na ito ay kadalasang naiwan na hindi nagalaw sa mga paunang pagsusulit ngunit mahahawakan sa mga gawaing hinaharap at kung paano mapapabuti ang proyekto sa paglaon. Upang matukoy ang gitna ng dalas ng pagtanggi, equation (3) frequency rejection frequency = 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 ay nagtatrabaho. Upang kumpirmahing nakamit ang wastong dalas ng pagtanggi, isang AC sweep ang pinatakbo gamit ang LTspice.

Sa wakas, pagkatapos ng bawat yugto ay subukang magkahiwalay, ang tatlong mga yugto ay pinagsama tulad ng nakikita sa Larawan 7. Dapat ding pansinin na ang lahat ng mga op amp ay binigyan ng isang + 15V at -15V DC power supply upang payagan ang malaking amplification maganap kung kinakailangan. Pagkatapos parehong kapwa isang pansamantalang pagsubok at isang AC sweep ay ginaganap sa nakumpletong circuit.

Mga Resulta:

Ang mga graph para sa bawat yugto ay maaaring matagpuan direkta sa ilalim ng kani-kanilang yugto sa seksyon ng Larawan sa apendiks. Para sa unang yugto, ang instrumentational amplifier, isang pansamantalang pagsubok ay pinatakbo sa circuit upang masubukan upang matiyak na ang nakuha para sa amplifier ay 1000. Ang pagsubok ay tumakbo mula 1 - 1.25 segundo na may maximum na hakbang sa oras na 0.05. Ang ibinigay na boltahe ay isang AC sine wave na may amplitude na 0.005 V at dalas ng 50 Hz. Ang inilaan na nakuha ay 1000 at tulad ng nakikita sa Larawan 4, mula noong ang Vout (ang berdeng kurba) ay may amplitude na 5V. Ang kunwa na nakuha ay kinakalkula upang maging, makakuha = Vout / Vin = 5V / 0.005V = 1000. Samakatuwid, ang porsyento na error para sa yugtong ito ay 0%. Ang 0.005V ay napili bilang input para sa seksyong ito dahil malapit itong maiugnay sa input na natanggap mula sa isang elektrod tulad ng nabanggit sa seksyon ng mga pamamaraan.

Ang pangalawang yugto, ang filter ng bandpass, ay may target na saklaw na 0.5 - 150 Hz. Upang masubukan ang filter at siguraduhing naitugma ang saklaw, isang dekada, ang AC sweep ay pinatakbo na may 100 puntos bawat isang dekada mula sa 0.01 - 1000 Hz. Ipinapakita ng Larawan 5 ang mga resulta mula sa AC sweep at kinukumpirma na ang saklaw ng dalas ng 0.5 hanggang 150 Hz ay nakamit dahil ang maximum na minus 3 dB ay nagbibigay ng dalas ng cutoff. Ang pamamaraang ito ay nakalarawan sa grap.

Ang pangatlong yugto, ang filter ng bingaw, ay idinisenyo upang maalis ang ingay na matatagpuan sa paligid ng 60 Hz. Ang kinakalkula na sentro ng dalas ng pagtanggi ay ~ 56 Hz. Upang kumpirmahin ito, isang dekada, ang AC sweep ay pinatakbo na may 100 puntos bawat isang dekada mula sa 0.01 - 1000 Hz. Ipinapakita ng Larawan 6 ang mga resulta mula sa AC sweep at naglalarawan ng isang sentro ng dalas ng pagtanggi ~ 56-59 Hz. Porsyento ng error para sa seksyong ito ay magiging 4.16%.

Matapos makumpirma na ang bawat indibidwal na yugto ay gumagana, ang tatlong yugto ay pagkatapos ay tipunin tulad ng nakikita sa Larawan 7. Pagkatapos ng isang pansamantalang pagsubok ay pinatakbo upang suriin ang amplification ng circuit at ang pagsubok ay tumakbo mula 1 - 1.25 segundo na may maximum na hakbang sa oras na 0.05 na may naibigay na boltahe ng isang AC sine wave na may amplitude na 0.005 V at dalas ng 50 Hz. Ang nagresultang grap ay ang unang grap sa Larawan 7 ay nagpapakita ng Vout3 (pula), ang output ng buong circuit, na 3.865 V at samakatuwid ay gumagawa ng pakinabang = 3.865V / 0.005V = 773. Ito ay makabuluhang naiiba kaysa sa inilaan na makakuha ng 1000 at nagbibigay ng isang error ng 22.7%. Matapos ang pansamantalang pagsubok, isang dekada, ang AC sweep ay pinatakbo na may 100 puntos bawat isang dekada mula sa 0.01 - 1000 Hz at ginawa ang pangalawang grap sa Larawan 7. Ang graph na ito ay nagha-highlight ng mga inilaan na resulta at ipinapakita ang mga filter na nagtatrabaho nang magkakasama upang makabuo ng isang filter na tumatanggap ng mga frequency mula sa 0.5-150 Hz na may isang sentro ng pagtanggi mula 57.5-58.8 Hz.

Mga Equation:

(1) - makakuha ng instrumentation amplifier [6], resistors na may kaugnayan sa mga natagpuan sa Larawan 4.

(2) - dalas ng cutoff para sa isang mababa / mataas na pass filter

(3) - para sa kambal t notch filter [8], mga resistor na may kaugnayan sa mga matatagpuan sa Larawan 6.

Hakbang 1: Instrumentational Amplifier

Yugto 1: ang instrumentational amplifier

equation - MAKIN = (1+ (R2 + R4) / R1) (R6 / R3)

Hakbang 2: Bandpass

yugto 2: filter ng bandpass

equation: cutoff frequency = 1 / 2πRC

Hakbang 3: Yugto 3: Filter ng Notch

yugto 3: Twin T Notch filter

equation - dalas ng pagtanggi sa gitna = 1 / 2π √ (1 / (C_2 C_3 R_5 (R_3 + R_4)))

Hakbang 4: Pangwakas na Skematika ng Lahat ng Mga Yugto ng Magkasama

Pangwakas na eskematiko na may ac sweep at pansamantalang mga curve

Hakbang 5: Pagtalakay sa Device

Pagtalakay:

Ang resulta mula sa mga pagsubok na isinagawa sa itaas ay napunta sa inaasahan para sa circuit bilang isang buo. Bagaman ang amplification ay hindi perpekto at ang signal ay medyo napababa ng mas malayo dumaan ito sa circuit (na makikita sa Figure 7, graph 1 kung saan tumaas ang signal mula 0.005V hanggang 5V pagkatapos ng unang yugto at pagkatapos ay bumaba sa 4V pagkatapos ng pangalawa at pagkatapos ay 3.865V pagkatapos ng huling yugto), ang bandpass at notch filter ay nagtrabaho tulad ng inilaan kahit na at gumawa ng isang saklaw ng dalas ng 0.5-150 Hz na may pagtanggal ng dalas tungkol sa 57.5-58.8 Hz.

Matapos maitaguyod ang mga parameter para sa aking circuit, pagkatapos ay inihambing ko ito sa dalawang iba pang mga ECG. Ang isang mas direktang paghahambing sa mga numero lamang ay matatagpuan sa Talahanayan 1. Mayroong tatlong pangunahing pagkuha kapag inihambing ang aking data sa iba pang mga mapagkukunan ng panitikan. Ang una ay ang pagpapalaki sa aking circuit ay makabuluhang mas mababa kaysa sa iba pang dalawa na pinaghahambing ko rin. Ang parehong mga circuit ng mapagkukunan ng panitikan ay nakamit ang isang amplification ng 1000 at sa Gawali's ECG [9], ang signal ay lalo pang pinalakas ng isang salik na 147 sa yugto ng pagsala. Samakatuwid, kahit na ang signal sa aking circuit ay pinalakas ng 773 (22.7% error kapag naghahambing sa karaniwang amplification) at itinuring na sapat upang ma-interpret ang input signal mula sa electrode [6], ito pa rin ang dwarfed kumpara sa standard na amplification ay 1000. Kung ang standard amplification ay dapat makamit sa aking circuit, ang amplification sa instrumentational amplifier ay kailangang dagdagan sa isang factor na mas malaki sa 1000 upang kapag ang nakuha ay bumaba pagkatapos dumaan sa bawat yugto ng filter sa aking circuit, mayroon pa ring pakinabang na hindi bababa sa 1000 o ang mga filter ay kailangang ayusin upang maiwasang mangyari ang mas mataas na antas ng pagbagsak ng boltahe.

Ang pangalawang pangunahing takeaway ay ang lahat ng tatlong mga circuit ay magkatulad na mga saklaw ng dalas. Ang Gawali's [9] ay may eksaktong eksaktong saklaw na 0.5-150 Hz habang ang Goa [10] ay may isang bahagyang mas malawak na saklaw na 0.05-159 Hz. Ang circuit ng Goa ay may kaunting pagkakaiba nito sapagkat ang saklaw na iyon ay mas angkop sa card ng pagkuha ng data na ginagamit sa kanilang pag-set up.

Ang huling pangunahing takeaway ay ang mga pagkakaiba sa gitna ng mga frequency ng pagtanggi na nakamit ng mga pansukat na filter sa bawat circuit. Ang Gao's at ang aking circuit ay parehong may target na 60 Hz upang mapigilan ang ingay ng dalas ng linya na sanhi ng mga linya ng kuryente habang ang Gawali ay nakatakda sa 50 Hz. Gayunpaman, ang pagkakaiba na ito ay mabuti dahil depende sa lokasyon sa mundo, ang dalas ng linya ng kuryente ay maaaring 50 o 60 Hz. Samakatuwid, ang isang direktang paghahambing ay ginawa lamang sa circuit ng Goa dahil ang pagkagambala ng linya ng kuryente sa Estados Unidos ay 60 Hz [11]. Ang porsyento na error ay 3.08%.