Geautomatiseerde ECG: Amplificatie- en filtersimulaties met LTspice: 5 stappen

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

Dit is de foto van het uiteindelijke apparaat dat je gaat bouwen en een zeer diepgaande discussie over elk onderdeel. Beschrijft ook de berekeningen voor elke fase.

Afbeelding toont blokschema voor dit apparaat

Methoden en materialen:

Het doel van dit project was om een signaalacquisitieapparaat te ontwikkelen om een specifiek biologisch signaal te karakteriseren/relevante gegevens over het signaal te verzamelen. Meer specifiek, een geautomatiseerd ECG. Het blokschema dat wordt weergegeven in figuur 3 benadrukt het voorgestelde schema voor het apparaat. Het apparaat zou het biologische signaal via een elektrode ontvangen en het vervolgens versterken met een versterker met een versterking van 1000. Deze versterking is nodig omdat het biologische signaal minder zal zijn bij ongeveer 5 mV, wat erg klein is en moeilijk te interpreteren is [5]. Daarna zou ruis worden verminderd met behulp van een banddoorlaatfilter om het gewenste frequentiebereik voor het signaal te krijgen, 0,5-150 Hz, en dan zou een inkeping volgen om de normale omgevingsruis te verwijderen die wordt veroorzaakt door hoogspanningslijnen die rond de 50-60 Hz worden gevonden [11]. Ten slotte moet het signaal vervolgens worden omgezet naar digitaal zodat het kan worden geïnterpreteerd met behulp van een computer en dit gebeurt met een analoog-naar-digitaalomzetter. In deze studie zal de focus echter vooral liggen op de versterker, bandpass filter en notch filter.

De versterker, banddoorlaatfilter en notch-filter zijn allemaal ontworpen en gesimuleerd met LTSpice. Elke sectie werd eerst afzonderlijk ontwikkeld en getest om er zeker van te zijn dat ze goed werkten en vervolgens samengevoegd tot één definitief schema. De versterker, die te zien is in figuur 4, is ontworpen en gebaseerd op een instrumentele versterker. Een instrumentatieversterker wordt vaak gebruikt in ECG's, temperatuurmonitors en zelfs aardbevingsdetectoren, omdat deze een zeer laag signaalniveau kan versterken terwijl overtollige ruis wordt onderdrukt. Het is ook heel gemakkelijk aan te passen om aan te passen voor elke versterking die nodig is [6]. De gewenste versterking voor het circuit is 1000 en deze is gekozen omdat de invoer van de elektrode een AC-signaal van minder dan 5 mV [5] zal zijn en moet worden versterkt om de gegevens gemakkelijker te interpreteren te maken. Om een winst van 1000 te krijgen, werd vergelijking (1) GAIN=(1+(R2+R4)/R1)(R6/R3) gebruikt, wat dus GAIN=(1+(5000Ω+5000Ω)/101.01Ω opleverde.)(1000Ω/100Ω) = 1000. Om te bevestigen dat de juiste hoeveelheid amplificatie werd bereikt, werd een tijdelijke test uitgevoerd met LTspice.

De tweede fase was een banddoorlaatfilter. Dit filter is te zien in figuur 5 en bestaat uit een laagdoorlaat- en vervolgens een hoogdoorlaatfilter met daartussen een operationele versterker om te voorkomen dat de filters elkaar opheffen. Het doel van deze fase is om een bepaald frequentiebereik te produceren dat acceptabel is om door het apparaat te gaan. Het gewenste bereik voor dit apparaat is 0,5 – 150 Hz, aangezien dit het standaardbereik is voor ECG [6]. Om dit doelbereik te bereiken, werd vergelijking (2) afsnijfrequentie = 1/(2πRC) gebruikt om de afsnijfrequentie voor zowel het hoogdoorlaat- als het laagdoorlaatfilter binnen de banddoorlaat te bepalen. Aangezien de onderkant van het bereik 0,5 Hz moest zijn, werden de waarden van de hoogdoorlaatfilterweerstand en de condensator berekend op 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83µF) en waarbij de bovenkant 150 Hz moest zijn, de lage doorlaatfilterweerstand en condensatorwaarden werden berekend op 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1.061µF). Om te bevestigen dat het juiste frequentiebereik werd bereikt, werd een AC-sweep uitgevoerd met behulp van LTspice.

De derde en laatste gesimuleerde fase is het notch-filter en is te zien in figuur 6. Het notch-filter dient als een middel om ongewenste ruis te elimineren die optreedt in het midden van het gewenste frequentiebereik dat door de bandpass wordt gecreëerd. De doelfrequentie is in dit geval 60 Hz, aangezien dat de standaardfrequentie van het elektriciteitsnet is in de Verenigde Staten en interferentie kan veroorzaken als deze niet wordt aangepakt [7]. Het geselecteerde notch-filter om deze interferentie op te vangen, was een twin t-notch-filter met twee opamps en een spanningsdeler. Hierdoor kan het signaal niet alleen het signaal direct op de doelfrequentie uitfilteren, maar ook een variabele feedback in het systeem introduceren, een instelbare kwaliteitsfactor Q en variabele output dankzij de spanningsdeler, waardoor dit een actief filter is in plaats van een passieve [8]. Deze extra factoren werden echter grotendeels onaangeroerd gelaten in de eerste tests, maar zullen in toekomstige werken worden besproken en hoe het project later kan worden verbeterd. Om het centrum van de verwerpingsfrequentie te bepalen, formule (3) centrum verwerpingsfrequentie=1/(2π)*√(1/(C2*C3*R5*(R3+R4))) = 1/(2π)* √(1/[(0,1*10^-6 µF)*(0,1*10^-6 µF) (15000 A)*(26525 A +26525 A)]) = 56,420 Hz werd gebruikt. Om te bevestigen dat de juiste afwijzingsfrequentie werd bereikt, werd een AC-sweep uitgevoerd met behulp van LTspice.

Ten slotte werden, nadat elke trap afzonderlijk was getest, de drie trappen gecombineerd zoals te zien in figuur 7. Er moet ook worden opgemerkt dat alle opamps werden geleverd met een +15V en -15V DC-voeding om aanzienlijke versterking mogelijk te maken optreden wanneer dat nodig is. Vervolgens werden zowel een tijdelijke test als een AC-sweep uitgevoerd op het voltooide circuit.

Resultaten:

De grafieken voor elke fase zijn direct te vinden onder de respectievelijke fase in de figuursectie in de appendix. Voor de eerste trap, de instrumentatieversterker, werd een tijdelijke test uitgevoerd op het circuit om te testen of de versterking voor de versterker 1000 was. De test liep van 1 – 1,25 seconden met een maximale tijdstap van 0,05. De geleverde spanning was een AC-sinusgolf met een amplitude van 0,005 V en een frequentie van 50 Hz. De beoogde versterking was 1000 en zoals te zien is in figuur 4, had de Vout (de groene curve) een amplitude van 5V. De gesimuleerde versterking werd berekend als versterking = Vout/Vin = 5V/0,005V = 1000. Daarom is de procentuele fout voor deze fase 0%. 0,005V is geselecteerd als ingang voor deze sectie, omdat deze nauw verwant is aan de ingang die wordt ontvangen van een elektrode, zoals vermeld in de sectie methoden.

De tweede trap, het banddoorlaatfilter, had een doelbereik van 0,5 – 150 Hz. Om het filter te testen en er zeker van te zijn dat het bereik overeenkomt, werd een AC-sweep uitgevoerd met 100 punten per decennium van 0,01 - 1000 Hz. Figuur 5 toont de resultaten van de AC-sweep en bevestigt dat een frequentiebereik van 0,5 tot 150 Hz werd bereikt omdat de maximale min 3 dB de afsnijfrequentie geeft. Deze methode wordt geïllustreerd in de grafiek.

De derde trap, het notch-filter, is ontworpen om de ruis rond 60 Hz te elimineren. Het berekende centrum van afwijzingsfrequentie was ~56 Hz. Om dit te bevestigen, werd een decennium AC-sweep uitgevoerd met 100 punten per decennium van 0,01 - 1000 Hz. Figuur 6 toont de resultaten van de AC-sweep en illustreert een centrum van afwijzingsfrequentie ~ 56-59 Hz. Het foutpercentage voor deze sectie zou 4,16 % zijn.

Na te hebben bevestigd dat elke afzonderlijke fase werkte, werden de drie fasen vervolgens geassembleerd zoals te zien in figuur 7. Vervolgens werd een tijdelijke test uitgevoerd om de versterking van het circuit te controleren en de test liep van 1 - 1,25 seconden met een maximale tijdstap van 0,05 met een geleverde spanning van een AC-sinusgolf met een amplitude van 0,005 V en een frequentie van 50 Hz. De resulterende grafiek is de eerste grafiek in figuur 7 en toont Vout3 (rood), de output van het hele circuit, die 3,865 V is en daarom de versterking = 3,865V/0,005V = 773. Dit is significant anders dan de beoogde versterking van 1000 en geeft een fout van 22,7%. Na de tijdelijke test, een decennium, werd AC-sweep uitgevoerd met 100 punten per decennium van 0,01 - 1000 Hz en produceerde de tweede grafiek in figuur 7. Deze grafiek benadrukt de beoogde resultaten en toont de filters die samenwerken om een filter te produceren dat accepteert frequenties van 0,5-150 Hz met een afwijzingscentrum van 57,5-58,8 Hz.

vergelijkingen:

(1) – versterking van instrumentatieversterker [6], weerstanden ten opzichte van die in figuur 4.

(2) – afsnijfrequentie voor een laag/hoogdoorlaatfilter

(3) – voor twin t notch filter [8], weerstanden ten opzichte van die gevonden in figuur 6.

Stap 1: Instrumentale versterker

Fase 1: de instrumentale versterker

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

Stap 2: Bandpas

fase 2: banddoorlaatfilter

vergelijking: afsnijfrequentie = 1/2πRC

Stap 3: Fase 3: Inkepingsfilter

fase 3: Twin T Notch-filter

vergelijking - centrum afwijzingsfrequentie=1/2π √(1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Stap 4: Eindschema van alle fasen samen

Definitief schema met ac sweep en transiënte curven

Stap 5: Bespreking van het apparaat

Discussie:

Het resultaat van de hierboven uitgevoerde tests verliep zoals verwacht voor het circuit als geheel. Hoewel de versterking niet perfect was en het signaal enigszins verslechterde naarmate het verder door het circuit ging (wat te zien is in figuur 7, grafiek 1, waar het signaal steeg van 0,005V naar 5V na de eerste trap en daarna afnam tot 4V na de tweede trap en vervolgens 3.865V na de laatste fase), werkten het banddoorlaat- en notchfilter echter zoals bedoeld en produceerden ze een frequentiebereik van 0,5-150 Hz met een verwijdering van de frequentie van ongeveer 57,5-58,8 Hz.

Nadat ik de parameters voor mijn circuit had vastgesteld, vergeleek ik het met twee andere ECG's. Een meer directe vergelijking met alleen cijfers is te vinden in Tabel 1. Er waren drie belangrijke aandachtspunten bij het vergelijken van mijn gegevens met andere literatuurbronnen. De eerste was dat de versterking in mijn circuit aanzienlijk lager was dan de andere twee die ik ook aan het vergelijken was. De circuits van beide literatuurbronnen bereikten een versterking van 1000 en in Gawali's ECG [9] werd het signaal zelfs nog verder versterkt met een factor 147 in de filtertrap. Daarom, hoewel het signaal in mijn circuit werd versterkt met 773 (22,7% fout in vergelijking met standaardversterking) en voldoende werd geacht om het ingangssignaal van de elektrode [6] te kunnen interpreteren, is het nog steeds kleiner in vergelijking met de standaardversterking is 1000. Als standaardversterking in mijn circuit zou worden bereikt, zou de versterking in de instrumentatieversterker moeten worden verhoogd tot een factor groter dan 1000, zodat wanneer de versterking wordt verlaagd na het passeren van elk van de filtertrappen in mijn circuit, het heeft nog steeds een versterking van minstens 1000 of de filters moeten worden aangepast om hogere spanningsdalingen te voorkomen.

De tweede grote afhaalmogelijkheid was dat alle drie de circuits zeer vergelijkbare frequentiebereiken hadden. Gawali's [9] had exact hetzelfde bereik van 0,5-150 Hz, terwijl Goa [10] een iets groter bereik had van 0,05-159 Hz. Het circuit van Goa had deze kleine discrepantie omdat dat bereik beter geschikt was voor de data-acquisitiekaart die in hun opstelling werd gebruikt.

De laatste grote afhaalmogelijkheid waren de verschillen in het centrum van de afwijzingsfrequenties die werden bereikt door de notch-filters in elk circuit. Gao's en mijn circuit hadden allebei een doel van 60 Hz om de lijnfrequentieruis veroorzaakte hoogspanningslijnen te onderdrukken terwijl Gawali's was ingesteld op 50 Hz. Deze discrepantie is echter prima, omdat, afhankelijk van de locatie in de wereld, de lijnfrequentie 50 of 60 Hz kan zijn. Daarom werd een directe vergelijking gemaakt, alleen met het circuit van Goa, aangezien de interferentie van hoogspanningslijnen in de Verenigde Staten 60 Hz is [11]. Het foutpercentage is 3,08 %.