Acquisitie, versterking en filtercircuitontwerp van een basiselektrocardiogram: 6 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

Om deze instructable te voltooien, zijn de enige dingen die nodig zijn een computer, internettoegang en wat simulatiesoftware. Voor dit ontwerp zullen alle circuits en simulaties worden uitgevoerd op LTspice XVII. Deze simulatiesoftware bevat bibliotheken van meer dan 1.000 componenten, wat het maken van circuits heel eenvoudig maakt. Omdat deze circuits worden gegeneraliseerd, zal de "UniversalOpAmp2" worden gebruikt voor elke instantie waar een op-amp nodig is. Bovendien werd elke op-amp gevoed door een +15V en -15V voeding. Deze voedingen voeden niet alleen de op-amp, maar knippen ook de uitgangsspanning af als deze een van die twee extremen zou bereiken.

Stap 1: Ontwerp instrumentatieversterker

Nadat het signaal is verkregen, moet het worden versterkt om berekeningen en filtering uit te voeren. Voor elektrocardiogrammen is de meest gebruikelijke methode van versterking de instrumentatieversterker. Zoals eerder vermeld, heeft de instrumentatieversterker veel voordelen als het gaat om versterkingscircuits, waarvan de grootste de hoge impedantie tussen de ingangsspanningen is. Om dit circuit te construeren, werden 3 op-amps gebruikt in combinatie met zeven weerstanden, waarbij zes van de weerstanden even groot waren. De versterking van de meeste elektrocardiogrammen is ongeveer 1000x het ingangssignaal [1]. De vergelijking voor de versterking van een instrumentatieversterker is als volgt: versterking = 1 + (2*R1/R2) * (R7/R6). Voor de eenvoud werd aangenomen dat elke weerstand 1000 ohm was, behalve R2, waarvan werd vastgesteld dat deze 2 ohm was. Deze waarden geven een versterking van 1001 keer groter dan de ingangsspanning. Deze versterking is voldoende om de verkregen signalen te versterken voor verdere analyse. Met behulp van de vergelijking kan de winst echter zijn wat men maar wil voor hun circuitontwerp.

Stap 2: Bandpass-filterontwerp

Een banddoorlaatfilter is een hoogdoorlaatfilter en een laagdoorlaatfilter die gewoonlijk in coördinatie met een op-amp werken om te voorzien in een zogenaamde doorlaatband. Een doorlaatband is een reeks frequenties die kunnen passeren terwijl alle andere, boven en onder, worden afgewezen. Industriestandaarden stellen dat een standaard elektrocardiogram een doorlaatband moet hebben van 0,5 Hz tot 150 Hz [2]. Deze grote doorlaatband zorgt ervoor dat al het elektrische signaal van het hart wordt geregistreerd en niets ervan wordt weggefilterd. Evenzo verwerpt deze doorlaatband elke DC-offset die het signaal zou kunnen verstoren. Om dit te ontwerpen, moeten specifieke weerstanden en condensatoren zo worden gekozen dat de hoogdoorlaatafsnijfrequentie 0,5 Hz en de laagdoorlaatafsnijfrequentie 150 Hz is. De afsnijfrequentievergelijking voor zowel het hoogdoorlaat- als het laagdoorlaatfilter is als volgt: Fc = 1/(2*pi*RC). Voor mijn berekeningen werd een willekeurige weerstand gekozen en vervolgens werd met behulp van vergelijking 4 een condensatorwaarde berekend. Daarom heeft het hoogdoorlaatfilter een weerstandswaarde van 100.000 ohm en een condensatorwaarde van 3.1831 microfarad. Evenzo heeft het laagdoorlaatfilter een weerstandswaarde van 100.000 ohm en een condensatorwaarde van 10,61 nano-farads. Een diagram van het banddoorlaatfilter met de aangepaste waarden wordt getoond.

Stap 3: Notch-filterontwerp

Een notch-filter is in wezen het tegenovergestelde van een banddoorlaatfilter. In plaats van een hoogdoorlaat gevolgd door een laagdoorlaat, is het een laagdoorlaat gevolgd door een hoogdoorlaat, daarom kan men in wezen één kleine ruisband elimineren. Voor het notch-filter van het elektrocardiogram werd een Twin-T notch-filterontwerp gebruikt. Dit ontwerp zorgt ervoor dat een middenfrequentie kan worden gefilterd en biedt een grote kwaliteitsfactor. In dit geval was de middenfrequentie die moest worden verwijderd 60 Hz. Met behulp van vergelijking 4 werden de weerstandswaarden berekend met een gegeven condensatorwaarde van 0,1 microfarad. De berekende weerstandswaarden voor een stopband van 60 Hz waren 26.525 ohm. Vervolgens werd berekend dat R5 ½ van R3 en R4 was. C3 werd ook berekend als het dubbele van de waarde gekozen voor C1 en C2 [3]. Voor R1 en R2 zijn willekeurige weerstanden gekozen.

Stap 4: Combinatiecircuit

Met behulp van netten werden deze componenten in serie bij elkaar geplaatst en wordt het beeld van de voltooide schakeling afgebeeld. Volgens een paper gepubliceerd door Springer Science, zou een acceptabele versterking van het ECG-circuit ongeveer 70 dB moeten zijn wanneer het hele circuit is opgezet [4].

Stap 5: Het hele circuit testen

Toen alle componenten in een serie werden geplaatst, was validatie van het ontwerp nodig. Bij het testen van dit circuit werden zowel een transiënte als een AC-sweep uitgevoerd om te bepalen of alle componenten tegelijk werkten. Als dit het geval zou zijn, zou de tijdelijke uitgangsspanning nog steeds ongeveer 1000x de ingangsspanning zijn. Evenzo, wanneer de AC-sweep werd uitgevoerd, zou een bodeplot van een banddoorlaatfilter worden verwacht met een inkeping bij 60 Hz. Kijkend naar de afgebeelde afbeeldingen, was dit circuit in staat om beide doelen met succes te bereiken. Een andere test was om de efficiëntie van het notch-filter te zien. Om dit te testen werd een 60 Hz signaal door de schakeling geleid. Zoals afgebeeld, was de grootte van deze output slechts ongeveer 5x groter dan de input, vergeleken met 1000x wanneer de frequentie binnen de doorlaatband valt.

Stap 6: Bronnen:

[1] "ECG-meetsysteem", Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (geraadpleegd op 1 december, 2020).

[2] L. G. Tereshchenko en M. E. Josephson, "Frequency Content and Characteristics of Ventricular Conduction", Journal of electrocardiology, vol. 48, nee. 6, blz. 933–937, 2015, doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] "Bandstopfilters worden Reject-filters genoemd", Basic Electronics Tutorials, 22 mei 2018.

[4] N. Guler en U. Fidan, "Draadloze overdracht van ECG-signaal", Springer Science, vol. 30, april 2005, doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.