Automatisiertes EKG: Verstärkungs- und Filtersimulationen mit LTspice - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

Dies ist das Bild des endgültigen Geräts, das Sie bauen werden, und eine sehr ausführliche Diskussion zu jedem Teil. Beschreibt auch die Berechnungen für jede Stufe.

Bild zeigt Blockschaltbild für dieses Gerät

Methoden und Materialien:

Ziel dieses Projektes war es, ein Signalerfassungsgerät zu entwickeln, um ein bestimmtes biologisches Signal zu charakterisieren bzw. relevante Daten über das Signal zu sammeln. Genauer gesagt ein automatisiertes EKG. Das in Abbildung 3 gezeigte Blockschaltbild hebt den vorgeschlagenen Schaltplan für das Gerät hervor. Das Gerät würde das biologische Signal über eine Elektrode empfangen und es dann mit einem Verstärker mit einer Verstärkung von 1000 verstärken. Diese Verstärkung ist notwendig, da das biologische Signal bei etwa 5 mV geringer ist, was sehr klein und schwer zu interpretieren ist [5]. Danach wird das Rauschen mit einem Bandpassfilter reduziert, um den gewünschten Frequenzbereich für das Signal von 0,5-150 Hz zu erhalten, und dann folgt eine Kerbe, um das normale Umgebungsrauschen zu entfernen, das durch Stromleitungen bei 50-60 Hz verursacht wird [11]. Schließlich muss das Signal dann digital umgewandelt werden, damit es mit einem Computer interpretiert werden kann, und dies erfolgt mit einem Analog-Digital-Wandler. In dieser Studie liegt der Fokus jedoch hauptsächlich auf dem Verstärker, dem Bandpassfilter und dem Notchfilter.

Der Verstärker, der Bandpassfilter und der Notchfilter wurden alle mit LTSpice entworfen und simuliert. Jeder Abschnitt wurde zuerst separat entwickelt und getestet, um sicherzustellen, dass er richtig funktioniert, und dann zu einem endgültigen Schaltplan verkettet. Der Verstärker, der in Abbildung 4 zu sehen ist, wurde auf Basis eines Instrumentenverstärkers entwickelt. Ein Instrumentenverstärker wird häufig in EKGs, Temperaturmonitoren und sogar Erdbebendetektoren verwendet, da er einen sehr geringen Signalpegel verstärken kann und gleichzeitig übermäßiges Rauschen unterdrückt. Es ist auch sehr einfach zu modifizieren, um die benötigte Verstärkung anzupassen [6]. Die gewünschte Verstärkung für die Schaltung beträgt 1000 und wurde gewählt, da der Eingang von der Elektrode ein Wechselspannungssignal von weniger als 5 mV [5] ist und verstärkt werden muss, um die Daten leichter interpretierbar zu machen. Um einen Gewinn von 1000 zu erhalten, wurde Gleichung (1) GAIN=(1+(R2+R4)/R1)(R6/R3) verwendet, was daher GAIN=(1+(5000Ω+5000Ω)/101.01Ω. ergab)(1000Ω/100Ω) = 1000. Um zu bestätigen, dass die korrekte Amplifikationsmenge erreicht wurde, wurde ein transienter Test mit LTspice durchgeführt.

Die zweite Stufe war ein Bandpassfilter. Dieses Filter ist in Abbildung 5 zu sehen und besteht aus einem Tiefpass- und einem Hochpassfilter mit einem dazwischen liegenden Operationsverstärker, um zu verhindern, dass sich die Filter gegenseitig aufheben. Der Zweck dieser Stufe besteht darin, einen festgelegten Frequenzbereich zu erzeugen, der für den Durchgang durch das Gerät akzeptabel ist. Der gewünschte Bereich für dieses Gerät beträgt 0,5 – 150 Hz, da dies der Standardbereich für das EKG ist [6]. Um diesen Zielbereich zu erreichen, wurde Gleichung (2) Grenzfrequenz = 1/(2πRC) verwendet, um die Grenzfrequenz sowohl für den Hochpass- als auch für den Tiefpassfilter innerhalb des Bandpasses zu bestimmen. Da das untere Ende des Bereichs 0,5 Hz betragen musste, wurden die Hochpassfilter-Widerstands- und Kondensatorwerte mit 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83µF) berechnet und mit dem oberen Ende von 150 Hz, Durchlassfilterwiderstand und Kondensatorwerte wurden mit 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1.061µF) berechnet. Um zu bestätigen, dass der richtige Frequenzbereich erreicht wurde, wurde ein AC-Sweep mit LTspice durchgeführt.

Die dritte und letzte simulierte Stufe ist das Notch-Filter und ist in Abbildung 6 zu sehen. Das Notch-Filter dient dazu, unerwünschtes Rauschen zu eliminieren, das in der Mitte des durch den Bandpass erzeugten gewünschten Frequenzbereichs auftritt. Die Zielfrequenz beträgt in diesem Fall 60 Hz, da dies die Standard-Netzfrequenz in den Vereinigten Staaten ist und Störungen verursachen, wenn sie nicht behandelt werden [7]. Als Notch-Filter wurde ein Twin-T-Notch-Filter mit zwei Operationsverstärkern und einem Spannungsteiler gewählt, um diese Störungen zu bewältigen. Dadurch kann das Signal nicht nur das Signal direkt bei der Zielfrequenz herausfiltern, sondern auch eine variable Rückkopplung in das System, einen einstellbaren Gütefaktor Q und einen variablen Ausgang dank des Spannungsteilers einführen und daher zu einem aktiven Filter anstelle von ein Passiv [8]. Diese zusätzlichen Faktoren wurden jedoch in den ersten Tests größtenteils unangetastet gelassen, werden aber in zukünftigen Arbeiten angesprochen und wie das Projekt später verbessert werden kann. Um die Mitte der Sperrfrequenz zu bestimmen, Gleichung (3) Mittensperrfrequenz = 1/(2π)*√(1/(C2*C3*R5*(R3+R4))) = 1/(2π)* (1/[(0,1*10^-6 uF)*(0,1*10^-6 uF)(15000Ω)*(26525Ω +26525Ω)]) = 56,420 Hz wurde verwendet. Um zu bestätigen, dass die korrekte Unterdrückungsfrequenz erreicht wurde, wurde ein AC-Sweep mit LTspice durchgeführt.

Nachdem jede Stufe separat getestet wurde, wurden die drei Stufen schließlich kombiniert, wie in Abbildung 7 zu sehen ist bei Bedarf eintreten. Dann wurden sowohl ein Transiententest als auch ein AC-Sweep an der fertiggestellten Schaltung durchgeführt.

Ergebnisse:

Die Grafiken für jede Stufe finden Sie direkt unter der jeweiligen Stufe im Abschnitt Abbildungen im Anhang. Für die erste Stufe, den Instrumentenverstärker, wurde ein Transiententest an der Schaltung durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Verstärkung für den Verstärker 1000 betrug. Der Test lief von 1 – 1,25 Sekunden mit einem maximalen Zeitschritt von 0,05. Die zugeführte Spannung war eine AC-Sinuswelle mit einer Amplitude von 0,005 V und einer Frequenz von 50 Hz. Die beabsichtigte Verstärkung betrug 1000 und wie in Abbildung 4 zu sehen, hatte die Vout (grüne Kurve) eine Amplitude von 5 V. Die simulierte Verstärkung wurde als Verstärkung = Vout/Vin = 5V/0,005V = 1000 berechnet. Daher beträgt der prozentuale Fehler für diese Stufe 0%. Als Eingang für diesen Abschnitt wurde 0,005 V ausgewählt, da er sich eng auf den Eingang bezieht, der von einer Elektrode empfangen wird, wie im Abschnitt Methoden beschrieben.

Die zweite Stufe, der Bandpassfilter, hatte einen Zielbereich von 0,5 – 150 Hz. Um den Filter zu testen und sicherzustellen, dass der Bereich angepasst ist, wurde eine Dekade AC-Sweep mit 100 Punkten pro Dekade von 0,01 – 1000 Hz durchgeführt. Bild 5 zeigt die Ergebnisse aus dem AC-Sweep und bestätigt, dass ein Frequenzbereich von 0,5 bis 150 Hz erreicht wurde, da das Maximum minus 3 dB die Grenzfrequenz angibt. Diese Methode ist in der Grafik dargestellt.

Die dritte Stufe, der Notch-Filter, wurde entwickelt, um das Rauschen um 60 Hz zu eliminieren. Die berechnete Mitten der Unterdrückungsfrequenz betrug ~56 Hz. Um dies zu bestätigen, wurde eine Dekade AC-Sweep mit 100 Punkten pro Dekade von 0,01 – 1000 Hz durchgeführt. Abbildung 6 zeigt die Ergebnisse des AC-Sweeps und zeigt eine Mitten-Unterdrückungsfrequenz von ~56-59 Hz. Der prozentuale Fehler für diesen Abschnitt würde 4,16 % betragen.

Nachdem bestätigt wurde, dass jede einzelne Stufe funktionierte, wurden die drei Stufen dann zusammengebaut, wie in Abbildung 7 gezeigt Versorgungsspannung einer AC-Sinuswelle mit einer Amplitude von 0,005 V und einer Frequenz von 50 Hz. Das resultierende Diagramm ist das erste Diagramm in Abbildung 7, das Vout3 (rot) zeigt, den Ausgang der gesamten Schaltung, der 3,865 V beträgt und daher die Verstärkung = 3,865 V/0,005 V = 773 ergibt. Dies unterscheidet sich erheblich von der beabsichtigten Verstärkung von 1000 und ergibt einen Fehler von 22,7%. Nach dem Transiententest wurde eine Dekade AC-Sweep mit 100 Punkten pro Dekade von 0,01 – 1000 Hz ausgeführt und erzeugte das zweite Diagramm in Abbildung 7. Dieses Diagramm hebt die beabsichtigten Ergebnisse hervor und zeigt die Filter, die zusammen arbeiten, um einen Filter zu erzeugen, der akzeptiert Frequenzen von 0,5-150 Hz mit einem Unterdrückungszentrum von 57,5-58,8 Hz.

Gleichungen:

(1) – Verstärkung des Instrumentenverstärkers [6], Widerstände relativ zu denen in Abbildung 4.

(2) – Grenzfrequenz für einen Tief-/Hochpassfilter

(3) – für Twin-t-Notch-Filter [8], Widerstände relativ zu denen in Abbildung 6.

Schritt 1: Instrumentenverstärker

Stufe 1: der Instrumentenverstärker

Gleichung - VERSTÄRKUNG=(1+(R2+R4)/R1)(R6/R3)

Schritt 2: Bandpass

Stufe 2: Bandpassfilter

Gleichung: Grenzfrequenz = 1/2πRC

Schritt 3: Stufe 3: Notch-Filter

Stufe 3: Twin T Notch-Filter

Gleichung - Mittenunterdrückungsfrequenz = 1/2π √(1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Schritt 4: Endgültiges Schema aller Phasen zusammen

Endgültiger Schaltplan mit AC-Sweep und Transientenkurven

Schritt 5: Diskussion des Geräts

Diskussion:

Das Ergebnis der oben durchgeführten Tests verlief für die gesamte Strecke wie erwartet. Obwohl die Verstärkung nicht perfekt war und das Signal leicht abnahm, je weiter es durch die Schaltung ging (was in Abbildung 7 zu sehen ist, Diagramm 1, wo das Signal nach der ersten Stufe von 0,005 V auf 5 V anstieg und dann nach der zweiten auf 4 V abnahm und dann 3,865V nach der Endstufe) funktionierten der Bandpass und das Notch-Filter jedoch wie beabsichtigt und erzeugten einen Frequenzbereich von 0,5–150 Hz mit einer Entfernung der Frequenz von etwa 57,5–58,8 Hz.

Nachdem ich die Parameter für meinen Stromkreis festgelegt hatte, habe ich ihn dann mit zwei anderen EKGs verglichen. Ein direkterer Vergleich mit reinen Zahlen findet sich in Tabelle 1. Beim Vergleich meiner Daten mit anderen Literaturquellen gab es drei wichtige Erkenntnisse. Der erste war, dass die Verstärkung in meiner Schaltung deutlich niedriger war als bei den anderen beiden, die ich auch verglich. Beide Schaltungen der Literaturquellen erreichten eine Verstärkung von 1000 und in Gawalis EKG [9] wurde das Signal in der Filterstufe sogar um den Faktor 147 weiter verstärkt. Obwohl das Signal in meiner Schaltung um 773 (22,7% Fehler im Vergleich zur Standardverstärkung) verstärkt wurde und als ausreichend angesehen wurde, um das Eingangssignal der Elektrode interpretieren zu können [6], ist es im Vergleich zur Standardverstärkung immer noch in den Schatten gestellt 1000. Wenn in meiner Schaltung eine Standardverstärkung erreicht werden sollte, müsste die Verstärkung im Instrumentenverstärker auf einen Faktor größer als 1000 erhöht werden, damit, wenn die Verstärkung nach dem Durchlaufen jeder der Filterstufen in meiner Schaltung heruntergesetzt wird, er hat immer noch eine Verstärkung von mindestens 1000 oder die Filter müssen angepasst werden, um höhere Spannungsabfallpegel zu vermeiden.

Die zweite wichtige Erkenntnis war, dass alle drei Stromkreise sehr ähnliche Frequenzbereiche hatten. Gawalis [9] hatte den exakt gleichen Bereich von 0,5-150 Hz, während Goa [10] einen etwas größeren Bereich von 0,05-159 Hz hatte. Die Schaltung von Goa hatte diese leichte Diskrepanz, weil dieser Bereich besser zu der Datenerfassungskarte passte, die in ihrem Setup verwendet wurde.

Die letzte wichtige Erkenntnis waren die Unterschiede in den Mitten der Unterdrückungsfrequenzen, die durch die Kerbfilter in jeder Schaltung erreicht werden. Gaos und meine Schaltung hatten beide ein Ziel von 60 Hz, um das durch die Netzfrequenz verursachte Rauschen von Stromleitungen zu unterdrücken, während die von Gawali auf 50 Hz eingestellt war. Diese Diskrepanz ist jedoch in Ordnung, da die Netzfrequenz je nach Standort auf der Welt 50 oder 60 Hz betragen kann. Daher wurde ein direkter Vergleich nur mit der Schaltung von Goa angestellt, da die Stromleitungsstörung in den Vereinigten Staaten 60 Hz beträgt [11]. Der prozentuale Fehler beträgt 3,08 %.