Adquisició, amplificació i disseny de circuits de filtratge d’un electrocardiograma bàsic: 6 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:10

Per completar aquesta instrucció, les úniques coses necessàries són un ordinador, accés a Internet i alguns programes de simulació. Als efectes d’aquest disseny, tots els circuits i simulacions s’executaran a LTspice XVII. Aquest programari de simulació conté llibreries de més de 1.000 components, cosa que facilita la creació de circuits. Com que aquests circuits es generalitzaran, s'utilitzarà "UniversalOpAmp2" per a totes les instàncies en què es necessiti un amplificador operacional. A més, cada amplificador operatiu estava alimentat per una font d’alimentació de + 15V i -15V. Aquestes fonts d’alimentació no només alimenten l’ampli operatiu, sinó que també retallen el voltatge de sortida si arribés a qualsevol d’aquests dos extrems.

Pas 1: Disseny de l'amplificador d'instrumentació

Un cop adquirit el senyal, cal amplificar-lo per realitzar càlculs i filtrar-lo. Per als electrocardiogrames, el mètode d'amplificació més comú és l'amplificador d'instrumentació. Com s’ha esmentat anteriorment, l’amplificador d’instrumentació té molts avantatges quan es tracta de circuits d’amplificació, sent el més gran l’alta impedància entre els voltatges d’entrada. Per construir aquest circuit, es van utilitzar 3 amplificadors operatius juntament amb set resistències, amb sis de les resistències equivalents en magnitud. El guany de la majoria dels electrocardiogrames és al voltant de 1000 vegades el senyal d'entrada [1]. L’equació del guany d’un amplificador d’instrumentació és la següent: Guany = 1 + (2 * R1 / R2) * (R7 / R6). Per simplicitat, es va suposar que cada resistència era de 1000 ohms, excepte R2, que es va determinar que era de 2 ohms. Aquests valors donen un guany de 1001 vegades més gran que el voltatge d'entrada. Aquest guany és suficient per amplificar els senyals adquirits per a una anàlisi posterior. No obstant això, mitjançant l'equació, el guany pot ser el que es vulgui per al disseny del seu circuit.

Pas 2: Disseny de filtres de banda

Un filtre de pas de banda és un filtre de pas alt i un filtre de pas baix que treballa en coordinació normalment amb un amplificador operatiu per proporcionar el que es coneix com a banda de passada. Una banda de passada és un interval de freqüències que poden passar mentre totes les altres, per sobre i per sota, es rebutgen. Les normes industrials estableixen que un electrocardiograma estàndard ha de tenir una banda de pas de 0,5 Hz a 150 Hz [2]. Aquesta gran banda de pas garanteix que es registri tot el senyal elèctric del cor i que no se'n filtri cap. Així mateix, aquesta banda de pas rebutja qualsevol desplaçament de CC que pugui interferir amb el senyal. Per dissenyar-ho, cal escollir resistències i condensadors específics de manera que la freqüència de tall de pas alt sigui de 0,5 Hz i la freqüència de tall de pas baix sigui de 150 Hz. L'equació de freqüència de tall tant per al filtre de pas alt com per al filtre de pas baix és la següent: Fc = 1 / (2 * pi * RC). Per als meus càlculs, es va escollir una resistència arbitrària i, a continuació, utilitzant l’equació 4, es va calcular un valor de condensador. Per tant, el filtre de pas alt tindrà un valor de resistència de 100.000 ohms i un valor de condensador de 3.1831 microfarades. De la mateixa manera, el filtre de pas baix tindrà un valor de resistència de 100.000 ohms i un valor de condensador de 10.61 nano-farads. Es mostra un diagrama del filtre de pas de banda amb els valors ajustats.

Pas 3: disseny del filtre de tacs

Un filtre de màniga és essencialment el contrari d’un filtre de banda. En lloc de tenir un pas alt seguit d’un pas baix, és un pas baix seguit d’un pas alt, per tant es pot eliminar bàsicament una petita banda de soroll. Per al filtre de graella de l’electrocardiograma, s’ha utilitzat un disseny de filtre de graella Twin-T. Aquest disseny permet filtrar una freqüència central i proporciona un gran factor de qualitat. En aquest cas, la freqüència central per desfer-se era de 60 Hz. Utilitzant l’equació 4, els valors de la resistència es van calcular utilitzant un valor determinat de condensador de 0,1 microfarades. Els valors de resistència calculats per a una banda de parada de 60 Hz van ser de 26, 525 ohms. Aleshores, R5 es va calcular com a ½ de R3 i R4. C3 també es va calcular com el doble del valor escollit per a C1 i C2 [3]. Es van triar resistències arbitràries per a R1 i R2.

Pas 4: Circuit de combinació

Mitjançant xarxes, aquests components es van col·locar en sèrie junts i es mostra la imatge del circuit completat. Segons un document publicat per Springer Science, un guany acceptable del circuit ECG hauria de ser al voltant dels 70 dB quan es configurés tot el circuit [4].

Pas 5: provar tot el circuit

Quan tots els components es col·locaven en una sèrie, calia la validació del disseny. Provant aquest circuit, es va realitzar un escombrat transitori i alternatiu per determinar si tots els components funcionaven a l'uníson. Si aquest fos el cas, la tensió de sortida transitòria encara seria aproximadament 1000x la tensió d’entrada. De la mateixa manera, quan es realitzés l'escombrat de corrent altern, s'esperava un traçat de filtre de pas de banda amb una osca a 60 Hz. Veient les imatges de la imatge, aquest circuit va aconseguir assolir ambdós objectius. Una altra prova consistia a veure l’eficiència del filtre d’escot. Per provar-ho, es va passar un senyal de 60 Hz pel circuit. Com es mostra a la imatge, la magnitud d’aquesta sortida només va ser aproximadament 5 vegades superior a l’entrada, en comparació amb 1000 x quan la freqüència es troba dins de la banda de pas.

Pas 6: recursos:

[1] "ECG Measurement System", Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (consultat l'1 de desembre de 2020).

[2] L. G. Tereshchenko i M. E. Josephson, "Contingut de freqüència i característiques de la conducció ventricular", Journal of electrocardiology, vol. 48, núm. 6, pàgines 933-937, 2015, doi: 10.1016 / j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] "Els filtres de parada de banda s'anomenen Filtres de rebutig", Tutorials bàsics d'electrònica, 22 de maig de 2018.

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