Автоматтандырылған ЭКГ: LTspice көмегімен күшейту және сүзгі модельдеу: 5 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:22

Бұл сіз жасайтын соңғы құрылғының суреті және әр бөлік туралы терең талқылау. Сонымен қатар әр кезеңнің есептеулерін сипаттайды.

Суретте осы құрылғының блок -схемасы көрсетілген

Әдістер мен материалдар:

Бұл жобаның мақсаты - белгілі бір биологиялық сигналды сипаттау/сигнал туралы тиісті деректерді жинау үшін сигналды алу құрылғысын жасау. Нақтырақ айтқанда, автоматтандырылған ЭКГ. 3 -суретте көрсетілген блок -схема құрылғының ұсынылған схемасын көрсетеді. Құрылғы биологиялық сигналды электрод арқылы қабылдайды, содан кейін оны 1000 күшейткішпен күшейтеді. Бұл күшейту қажет, өйткені биологиялық сигнал 5мВ шамасында аз болады, оны түсіну өте қиын [5]. Кейін сигналдың қажетті жиілік диапазонын алу үшін 0,5-150 Гц жиілік диапазонына жету үшін жолақты өткізгіш сүзгі көмегімен шуды азайтуға болады, содан кейін 50-60 Гц айналасында орналасқан электр желілерінен туындайтын қалыпты шуды кетіру үшін ойық болады. [11]. Ақырында, сигналды компьютердің көмегімен түсіндіру үшін оны цифрлық түрге көшіру қажет, бұл аналогты -цифрлық түрлендіргішпен жасалады. Бұл зерттеуде, ең алдымен, күшейткішке, жолақты сүзгіге және ойық сүзгісіне назар аударылады.

Күшейткіш, жолақ сүзгісі және ойық сүзгісі LTSpice көмегімен жасалған және модельденген. Әр секция алдымен бөлек әзірленді және олардың дұрыс орындалғанына көз жеткізу үшін сыналды, содан кейін бір соңғы схемаға біріктірілді. 4 -суреттен көруге болатын күшейткіш аспаптық күшейткіштен жасалған. Аспаптық күшейткіш әдетте ЭКГ-да, температура мониторларында және тіпті жер сілкінісінің детекторларында қолданылады, себебі ол шамадан тыс шуды қабылдамай сигналдың өте төмен деңгейін күшейте алады. Қажетті пайданы реттеу үшін оны өзгерту өте оңай [6]. Схема үшін қалаған пайда - 1000 және бұл электродтан келетін кіріс 5 мВ [5] төмен айнымалы сигнал болатындықтан таңдалды, сондықтан деректерді түсіндіруді жеңілдету үшін күшейту қажет. 1000 ұпай алу үшін (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3) теңдеуі қолданылды, нәтижесінде GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω) /101.01Ω болды) (1000Ω/100Ω) = 1000. Күшейтудің дұрыс мөлшеріне қол жеткізу үшін LTspice көмегімен өтпелі сынақ жүргізілді.

Екінші кезең - жолақты сүзгі. Бұл сүзгіні 5 -суреттен көруге болады, ол сүзгілердің бір -бірінен бас тартуына жол бермеу үшін төмен өткізгіштен, содан кейін жұмыс күшейткіші бар жоғары өту сүзгісінен тұрады. Бұл кезеңнің мақсаты - құрылғы арқылы өтуге болатын жиіліктер жиынтығын шығару. Бұл құрылғы үшін қажетті диапазон 0,5 - 150 Гц, себебі бұл ЭКГ үшін стандартты диапазон [6]. Осы мақсатты диапазонға жету үшін жолақты өткізу жолағындағы жоғары өту және төмен өту сүзгісі үшін шектеу жиілігін анықтау үшін (2) шектеу жиілігі = 1/(2πRC) теңдеуі қолданылды. Диапазонның төменгі ұшы 0,5 Гц болуы керек болғандықтан, жоғары өткізгішті резистор мен конденсатордың мәндері 0,5 Гц = 1/(2π*1000Ω*318,83 мкФ), ал жоғарғы шеті 150 Гц болуы керек деп есептелді. өткізгіш сүзгі резисторы мен конденсатордың мәндері 150 Гц = 1/(2π*1000Ω*1.061µF) есептелді. Дұрыс жиілік диапазонына қол жеткізілгенін растау үшін LTspice көмегімен айнымалы токты тазарту жүргізілді.

Үшінші және соңғы имитациялық кезең - бұл ойық сүзгісі және оны 6 -суреттен көруге болады. Шұңқырлы сүзгі жолақты өткізу жолағының көмегімен қажетті жиілік диапазонының ортасында пайда болатын қажетсіз шуды жою құралы ретінде қызмет етеді. Бұл жағдайда мақсатты жиілік 60 Гц құрайды, себебі бұл АҚШ -тағы электр желісінің стандартты жиілігі және егер олар шешілмесе кедергі келтіреді [7]. Бұл кедергілермен күресу үшін таңдалған ойық сүзгісі екі амперлі және кернеу бөлгішті екі қабатты сүзгі болды. Бұл сигналға сигналды тек мақсатты жиілікте сүзіп қана қоймай, сонымен қатар жүйеге айнымалы кері байланысты, реттелетін сапа коэффициентін және кернеу бөлгіштің арқасында айнымалы шығуды енгізуге мүмкіндік береді, сондықтан оны белсенді сүзгі орнына шығарады. пассивті [8]. Бұл қосымша факторлар, негізінен, алғашқы сынақтарда өзгеріссіз қалды, бірақ алдағы жұмыстарда және жобаны кейінірек қалай жақсартуға болатындығы туралы айтылады. Бас тарту жиілігінің орталығын анықтау үшін (3) орталықтан бас тарту жиілігі = 1/(2π)*√ (1/(C2*C3*R5*(R3+R4))) = 1/(2π)*теңдеу √ (1/[(0.1*10^-6µF)*(0.1*10^-6µF) (15000Ω)*(26525Ω +26525Ω)]) = 56.420 Гц қолданылды. Дұрыс қабылдамау жиілігіне қол жеткізілгенін растау үшін LTspice көмегімен айнымалы токты тазарту жүргізілді.

Ақырында, әрбір кезең бөлек сыналғаннан кейін, 7 -суретте көрсетілгендей үш кезең біріктірілді. Сонымен қатар, барлық күшейткіштер айтарлықтай күшейтуге мүмкіндік беру үшін +15В және -15В тұрақты ток көзімен қамтамасыз етілгенін атап өткен жөн. қажет болған жағдайда пайда болады. Содан кейін аяқталған схемада өтпелі сынақ пен айнымалы токты тазарту жүргізілді.

Нәтижелер:

Әр кезеңге арналған графиктерді қосымшаның Сурет бөлімінде сәйкес кезеңнің астында табуға болады. Бірінші кезеңде, аспаптық күшейткіш, күшейткіштің күшейткіші 1000 екенін тексеру үшін тізбекте өтпелі сынақ жүргізілді. Сынақ 1 - 1.25 секундқа созылды, максималды уақыт қадамы 0,05. Берілген кернеу амплитудасы 0,005 В және жиілігі 50 Гц айнымалы ток синусызды болды. Жоспарланған пайда 1000 болды және 4 -суретте көрсетілгендей, Vout (жасыл қисық) амплитудасы 5В болды. Симуляцияланған пайда ретінде есептелді, пайда = Vout/Vin = 5V/0.005V = 1000. Демек, бұл кезеңдегі қателік пайызы 0%құрайды. Бұл бөлім үшін кіріс ретінде 0,005В таңдалды, себебі ол әдістер бөлімінде айтылғандай электродтан алынған кіріспен тығыз байланысты болады.

Екінші кезең, жолақ сүзгісі, мақсатты диапазоны 0,5 - 150 Гц болды. Сүзгіні тексеру және диапазонның сәйкес келетініне көз жеткізу үшін, онжылдықта айнымалы ток сөндіру 0,01 - 1000 Гц аралығында онжылдықта 100 ұпаймен жүргізілді. 5 -суретте айнымалы ток сөндіру нәтижелері көрсетілген және 0,5 -тен 150 Гц жиілікке жеткенін растайды, себебі максимум минус 3 дБ шектік жиілікті береді. Бұл әдіс графикте көрсетілген.

Үшінші кезең, ойық сүзгісі 60 Гц айналасындағы шуды жоюға арналған. Бас тарту жиілігінің есептелген орталығы ~ 56 Гц болды. Осыны растау үшін онкүндікте 0,01 - 1000 Гц аралығында әр онжылдықта 100 баллмен айнымалы ток өткізілді. 6-суретте айнымалы ток сөндіру нәтижелері көрсетілген және бас тарту жиілігі ~ 56-59 Гц көрсетілген. Бұл бөлім үшін пайыздық қате 4,16 %болады.

Әрбір жеке кезеңнің жұмыс істеп тұрғанын растағаннан кейін үш кезең 7 суретте көрсетілгендей жиналды. Содан кейін тізбектің күшеюін тексеру үшін өтпелі сынақ жүргізілді және тест 1 - 1.25 секунд аралығында, максималды 0,05 уақыт қадамымен амплитудасы 0,005 В және жиілігі 50 Гц айнымалы ток синусызқынының кернеуі. Алынған график 7 -суреттегі бірінші график болып табылады Vout3 (қызыл), бүкіл тізбектің шығысы 3,865 В, сондықтан = 3,865В/0,005В = 773 күшейтеді. және 22,7%қате береді. Өтпелі сынақтан кейін, онжылдықта, айнымалы ток тазарту онкүндікте 0,01 - 1000 Гц аралығында 100 ұпаймен жүргізілді және 7 -суретте екінші графикті шығарды. Бұл график нәтижені көрсетеді және сүзгіні шығару үшін қатар жұмыс істейтін сүзгілерді көрсетеді. бас тарту орталығы 57,5-58,8 Гц аралығында 0,5-150 Гц жиіліктерді қабылдайды.

Теңдеулер:

(1) - аспаптық күшейткіштің пайда болуы [6], 4 -суретте көрсетілген резисторлар.

(2) - төмен/жоғары өту сүзгісі үшін шектеу жиілігі

(3) - қосарланған фильтр үшін [8], 6 -суретте көрсетілген резисторлар.

1 -қадам: аспаптық күшейткіш

1 кезең: аспаптық күшейткіш

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

2 -қадам: жолақты өткізу

2 кезең: жолақты сүзгі

теңдеу: үзілу жиілігі = 1/2πRC

3 -қадам: 3 -кезең: ойық сүзгісі

3 кезең: Twin T Notch сүзгісі

теңдеу - орталықтан бас тарту жиілігі = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

4 -қадам: Барлық кезеңдердің қорытынды схемасы

Айнымалы сыпыру мен өтпелі қисықтары бар соңғы схема

5 -қадам: құрылғыны талқылау

Талқылау:

Жоғарыда жүргізілген сынақтардың нәтижесі тұтастай схема бойынша күткендей болды. Күшейту мінсіз болмаса да және сигнал аздап төмендеген болса да, ол тізбек арқылы өтті (оны 7 -суреттен көруге болады, 1 -графикте сигнал бірінші кезеңнен кейін 0,005В -тан 5В -қа дейін көтерілген, содан кейін екіншіден кейін 4В дейін төмендеген) содан кейін соңғы кезеңнен кейін 3.865В), жолақ және ойық сүзгісі ойдағыдай жұмыс істеді және шамамен 57,5-58,8 Гц жиілігін алып тастай отырып, 0,5-150 Гц жиілік диапазонын шығарды.

Менің схемамның параметрлерін орнатқаннан кейін мен оны басқа екі ЭКГ -мен салыстырдым. Нақты сандармен тікелей салыстыруды 1 -кестеден табуға болады. Менің деректерімді басқа әдебиет көздерімен салыстыру кезінде үш негізгі ереже болды. Біріншісі, менің схемадағы күшейту мен салыстырған басқа екеуіне қарағанда айтарлықтай төмен болды. Әдебиет көздерінің екі тізбегі де 1000 -ға дейін күшейтті және Гавали ЭКГ -да [9], сигнал одан әрі сүзгі сатысында 147 есе күшейтілді. Сондықтан, менің тізбегімдегі сигнал 773 күшейтілгенімен (стандартты күшейтумен салыстырғанда 22,7% қате) және электродтан кіру сигналын [6] түсіндіруге жеткілікті деп есептелсе де, ол стандартты күшейткішпен салыстырғанда әлі де аз. 1000. Егер менің тізбегімде стандартты күшейтуге қол жеткізу керек болса, онда аспаптық күшейткіштегі күшейтуді 1000 -нан асатын факторға дейін көбейту керек еді, осылайша менің тізбегімдегі сүзгі сатыларының әрқайсысынан өткеннен кейін кірісті төмендеткенде, ол әлі де кем дегенде 1000 пайдаға ие немесе жоғары кернеудің төмендеуіне жол бермеу үшін сүзгілерді реттеу қажет.

Екінші негізгі жетістік үш тізбектің жиілік диапазондары өте ұқсас болды. Гавалидің [9] дәл диапазоны 0,5-150 Гц болса, Гоада [10] 0,05-159 Гц сәл кеңірек диапазоны болды. Гоа схемасында бұл шамалы айырмашылық болды, себебі бұл диапазон оларды орнатуда қолданылатын деректерді жинау картасына сәйкес келеді.

Соңғы маңызды алып тастау әр тізбектегі ойық сүзгілерінің қол жеткізу жиілігінің орталығындағы айырмашылықтар болды. Гао мен менің схемамның екеуінде де 60 Гц -тің мақсаты болды, ал желілік жиіліктегі шу электр желілерін тудырды, ал Гавали 50 Гц -ке орнатылды. Алайда, бұл сәйкессіздік жақсы, өйткені әлемдегі орналасқан жеріне байланысты электр желісінің жиілігі 50 немесе 60 Гц болуы мүмкін. Сондықтан Гоа тізбегімен тікелей салыстыру жүргізілді, өйткені АҚШ -тағы электр желісінің кедергісі 60 Гц [11]. Қателік пайызы 3,08%құрайды.