ECG automatitzat: simulacions d’amplificació i filtratge mitjançant LTspice: 5 passos

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

Aquesta és la imatge del dispositiu final que construireu i un debat molt profund sobre cada part. També descriu els càlculs de cada etapa.

La imatge mostra el diagrama de blocs d’aquest dispositiu

Mètodes i materials:

L’objectiu d’aquest projecte era desenvolupar un dispositiu d’adquisició de senyal per tal de caracteritzar un senyal biològic específic / recollir dades rellevants sobre el senyal. Més concretament, un ECG automatitzat. El diagrama de blocs que es mostra a la figura 3 ressalta l’esquema proposat per al dispositiu. El dispositiu rebria el senyal biològic a través d’un elèctrode i després l’amplificaria mitjançant un amplificador amb un guany de 1000. Aquesta amplificació és necessària, ja que el senyal biològic serà menor a uns 5 mV, molt petit i pot ser difícil d’interpretar [5]. Després, es reduiria el soroll mitjançant un filtre de pas de banda per obtenir el rang de freqüència desitjat per al senyal, 0,5-150 Hz, i després es produiria una osca per eliminar el soroll circumdant normal causat per les línies elèctriques que es troben al voltant de 50-60 Hz [11]. Finalment, cal convertir el senyal a digital perquè pugui ser interpretat mitjançant un ordinador i això es fa amb un convertidor analògic a digital. En aquest estudi, però, el focus se centrarà principalment en l'amplificador, el filtre de banda i el filtre de graella.

L’amplificador, el filtre de pas de banda i el filtre de graella van ser dissenyats i simulats amb LTSpice. Primer, cada secció es va desenvolupar per separat i es va provar per assegurar-se que funcionaven correctament i després es van concatenar en un esquema final. L'amplificador, que es pot veure a la figura 4, va ser dissenyat i basat en un amplificador instrumental. Un amplificador d’instrumentació s’utilitza habitualment en electrocardiogrames, monitors de temperatura i fins i tot en detectors de terratrèmols, ja que pot amplificar un nivell de senyal molt baix tot rebutjant l’excés de soroll. També és molt fàcil de modificar per ajustar-se al guany que sigui necessari [6]. El guany desitjat per al circuit és de 1000 i es va seleccionar ja que l’entrada de l’elèctrode serà un senyal de CA inferior a 5 mV [5] i que s’ha d’amplificar per facilitar la interpretació de les dades. Per obtenir un guany de 1000, es va utilitzar l’equació (1) GAIN = (1+ (R2 + R4) / R1) (R6 / R3) que donava per tant GAIN = (1+ (5000Ω + 5000Ω) /101,01Ω) (1000Ω / 100Ω) = 1000. Per tal de confirmar la quantitat correcta d'amplificació es va aconseguir, es va realitzar una prova transitòria mitjançant LTspice.

La segona etapa va ser un filtre passabanda. Aquest filtre es pot veure a la Figura 5 i consisteix en un filtre de pas baix i després un filtre de pas alt amb un amplificador operatiu entremig per evitar que els filtres es cancel·lin. El propòsit d’aquesta etapa és produir un rang fixat de freqüències que serà acceptable passar pel dispositiu. L'abast desitjat per a aquest dispositiu és de 0,5 a 150 Hz, ja que aquest és el rang estàndard per a l'ECG [6]. Per tal d'aconseguir aquest rang objectiu, es va utilitzar l'equació (2) freqüència de tall = 1 / (2πRC) per determinar la freqüència de tall tant per al filtre de pas alt com de filtre baix del pas de banda. Atès que l’extrem inferior del rang havia de ser de 0,5 Hz, la resistència del filtre de pas alt i els valors del condensador es van calcular com a 0,5 Hz = 1 / (2π * 1000Ω * 318,83µF) i amb l’extrem superior que necessitava ser de 150 Hz, el baix Els valors de la resistència del filtre de pas i del condensador es van calcular en 150 Hz = 1 / (2π * 1000Ω * 1.061µF). Per tal de confirmar que es va aconseguir el rang de freqüència correcte, es va executar un escombrat de corrent altern mitjançant LTspice.

La tercera i última etapa simulada és el filtre de tacs i es pot veure a la figura 6. El filtre de tacs serveix com a mitjà per eliminar el soroll no desitjat que es produeix al mig del rang de freqüències desitjat creat pel pas de banda. La freqüència objectiu en aquest cas és de 60 Hz, ja que és la freqüència de línia elèctrica estàndard als Estats Units i causa interferències si no es tracta [7]. El filtre de graella seleccionat per gestionar aquesta interferència era un filtre de graella doble amb dos amperes operatius i un divisor de tensió. Això permetrà que el senyal no només filtri el senyal directament a la freqüència objectiu, sinó que també introdueixi una retroalimentació variable al sistema, un factor de qualitat Q ajustable i una sortida variable gràcies al divisor de tensió i, per tant, el converteix en un filtre actiu en lloc de un passiu [8]. Tanmateix, aquests factors addicionals es van deixar intactes en les proves inicials, però es tractaran en futures obres i com millorar el projecte més endavant. Per determinar el centre de la freqüència de rebuig, l'equació (3) freqüència de rebuig central = 1 / (2π) * √ (1 / (C2 * C3 * R5 * (R3 + R4))) = 1 / (2π) * √ (1 / [(0,1 * 10 ^ -6µF) * (0,1 * 10 ^ -6µF) (15000Ω) * (26525Ω + 26525Ω)]) = es va emprar 56,420 Hz. Per tal de confirmar que es va aconseguir la freqüència de rebuig correcta, es va executar un escombrat de corrent altern mitjançant LTspice.

Finalment, després de provar cada etapa per separat, les tres etapes es van combinar tal com es veu a la figura 7. També s’ha de tenir en compte que tots els amplificadors operatius es van subministrar amb una font d’alimentació de + 15V i -15V DC per tal de permetre una amplificació substancial que es produeixi quan sigui necessari. Després es va realitzar una prova transitòria i un escombrat de CA al circuit complet.

Resultats:

Els gràfics de cada etapa es poden trobar directament a la seva etapa respectiva a la secció Figura de l'apèndix. Per a la primera etapa, l'amplificador instrumental, es va fer una prova transitòria al circuit per tal de comprovar que el guany de l'amplificador era de 1000. La prova va durar d'1 a 1,25 segons amb un pas de temps màxim de 0,05. La tensió subministrada era una ona sinusoïdal de CA amb una amplitud de 0,005 V i una freqüència de 50 Hz. El guany previst era de 1.000 i, tal com es veu a la figura 4, el Vout (la corba verda) tenia una amplitud de 5V. Es calculà que el guany simulat era, guany = Vout / Vin = 5V / 0,005V = 1000. Per tant, el percentatge d'error per a aquesta etapa és del 0%. S'ha seleccionat 0,005 V com a entrada per a aquesta secció, ja que es relacionarà estretament amb l'entrada rebuda d'un elèctrode tal com s'esmenta a la secció de mètodes.

La segona etapa, el filtre passa banda, tenia un rang objectiu de 0,5 a 150 Hz. Per provar el filtre i assegurar-se que el rang coincideix, durant una dècada, es va executar l'escombrat de CA amb 100 punts per dècada de 0,01 a 1000 Hz. La figura 5 mostra els resultats de l'escombrat de corrent altern i confirma que es va aconseguir un rang de freqüència de 0,5 a 150 Hz perquè el màxim menys 3 dB dóna la freqüència de tall. Aquest mètode s’il·lustra al gràfic.

La tercera etapa, el filtre d’escot, va ser dissenyada per eliminar el soroll que es troba al voltant dels 60 Hz. El centre de freqüència de rebuig calculat va ser de ~ 56 Hz. Per confirmar-ho, durant una dècada, es va executar l'escombrat de CA amb 100 punts per dècada de 0,01 a 1000 Hz. La figura 6 mostra els resultats de l'escombrat de CA i il·lustra un centre de freqüència de rebuig ~ 56-59 Hz. El percentatge d'errors d'aquesta secció seria del 4,16%.

Després de confirmar que cada etapa funcionava, es van muntar les tres etapes com es veu a la figura 7. Després es va realitzar una prova transitòria per comprovar l’amplificació del circuit i la prova va transcórrer d’1 a 1,25 segons amb un pas de temps màxim de 0,05 amb un tensió subministrada d'una ona sinusoïdal de CA amb una amplitud de 0,005 V i una freqüència de 50 Hz. El gràfic resultant és el primer gràfic de la figura 7 que mostra Vout3 (vermell), la sortida de tot el circuit és de 3.865 V i, per tant, fa que el guany sigui = 3.865V / 0.005V = 773. Això és significativament diferent del guany previst de 1000 i dóna un error del 22,7%. Després de la prova transitòria, una dècada, es va executar l'escombrat de CA amb 100 punts per dècada de 0,01 a 1000 Hz i va produir el segon gràfic de la figura 7. Aquest gràfic ressalta els resultats previstos i mostra els filtres que treballen en tàndem per produir un filtre que accepta freqüències de 0,5 a 150 Hz amb un centre de rebuig de 57,5 a 58,8 Hz.

Equacions:

(1): guany d'amplificador d'instrumentació [6], resistències en relació amb les trobades a la figura 4.

(2) - freqüència de tall per a un filtre de pas baix / alt

(3) - per a filtres de doble t [8], resistències relatives a les que es troben a la figura 6.

Pas 1: amplificador instrumental

Etapa 1: l'amplificador instrumental

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

Pas 2: Bandpass

etapa 2: filtre de pas de banda

equació: freqüència de tall = 1 / 2πRC

Pas 3: etapa 3: filtre de tacs

etapa 3: filtre Twin T Notch

equació - freqüència de rebuig central = 1 / 2π √ (1 / (C_2 C_3 R_5 (R_3 + R_4)))

Pas 4: Esquema final de totes les etapes juntes

Esquema final amb escombrat alternatiu i corbes transitòries

Pas 5: discussió del dispositiu

Debat:

El resultat de les proves realitzades anteriorment va ser l’esperat per al conjunt del circuit. Tot i que l’amplificació no era perfecta i el senyal es degradava lleugerament a mesura que passava pel circuit (cosa que es pot veure a la figura 7, gràfic 1, on el senyal augmentava de 0,005 V a 5 V després de la primera etapa i després disminuïa a 4 V després de la segona i després 3,865 V després de l'etapa final), el filtre de pas de banda i osca funcionava com es volia i produïa un rang de freqüència de 0,5-150 Hz amb una eliminació de la freqüència d'aproximadament 57,5-58,8 Hz.

Després d’establir els paràmetres del meu circuit, el vaig comparar amb altres dos ECG. A la taula 1. es pot trobar una comparació més directa amb només nombres. Hi havia tres principals menjars per emportar en comparar les meves dades amb altres fonts de literatura. La primera era que l'amplificació del meu circuit era significativament inferior a les altres dues que també comparava. Tots dos circuits de fonts bibliogràfiques van assolir una amplificació de 1000 i, a l’ECG de Gawali [9], el senyal es va amplificar encara més amb un factor de 147 a l’etapa del filtre. Per tant, tot i que el senyal del meu circuit es va amplificar amb un 773 (22,7% d’error en comparar-ho amb l’amplificació estàndard) i es va considerar suficient per poder interpretar el senyal d’entrada de l’elèctrode [6], encara es va reduir en comparació amb l’amplificació estàndard. 1000. Si s’aconseguís una amplificació estàndard al meu circuit, caldria augmentar l’amplificació de l’amplificador instrumental fins a un factor superior a 1000, de manera que quan es redueixi el guany després de passar per cadascuna de les etapes de filtre del meu circuit, encara té un guany d'almenys 1000 o cal ajustar els filtres per evitar que es produeixin nivells de caiguda de tensió més alts.

El segon gran menjar per emportar va ser que els tres circuits tenien rangs de freqüència molt similars. El de Gawali [9] tenia exactament el mateix rang de 0,5 a 150 Hz mentre que Goa [10] tenia un rang una mica més ampli de 0,05 a 159 Hz. El circuit de Goa tenia aquesta lleugera discrepància perquè aquest rang s’adaptava millor a la targeta d’adquisició de dades que s’utilitzava en la seva configuració.

L'última gran oferta per emportar van ser les diferències en el centre de freqüències de rebuig aconseguides pels filtres de ranura de cada circuit. Gao’s i el meu circuit tenien un objectiu de 60 Hz per tal de suprimir el soroll de la freqüència de línia causat per les línies elèctriques, mentre que el de Gawali estava configurat a 50 Hz. Tanmateix, aquesta discrepància és bona ja que, segons la ubicació del món, la freqüència de la línia elèctrica pot ser de 50 o 60 Hz. Per tant, es va fer una comparació directa només amb el circuit de Goa, ja que la interferència de la línia elèctrica als Estats Units és de 60 Hz [11]. L’error percentual és del 3,08%.