การออกแบบวงจรการได้มา การขยายเสียง และการกรองของคลื่นไฟฟ้าหัวใจขั้นพื้นฐาน: 6 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:02

เพื่อให้คำแนะนำนี้สมบูรณ์ สิ่งเดียวที่จำเป็นคือคอมพิวเตอร์ การเข้าถึงอินเทอร์เน็ต และซอฟต์แวร์จำลองบางตัว สำหรับวัตถุประสงค์ของการออกแบบนี้ วงจรและการจำลองทั้งหมดจะทำงานบน LTspice XVII ซอฟต์แวร์จำลองสถานการณ์นี้มีไลบรารีของส่วนประกอบมากกว่า 1, 000 ซึ่งทำให้การสร้างวงจรทำได้ง่ายมาก เนื่องจากวงจรเหล่านี้จะถูกทำให้เป็นแบบทั่วไป จึงจะใช้ “UniversalOpAmp2” สำหรับทุกอินสแตนซ์ที่จำเป็นต้องใช้ op-amp นอกจากนี้ op-amp แต่ละตัวยังใช้พลังงานจากแหล่งจ่ายไฟ +15V และ -15V อุปกรณ์จ่ายไฟเหล่านี้ไม่เพียงแต่จ่ายไฟให้กับ op-amp เท่านั้น แต่ยังตัดแรงดันเอาต์พุตหากต้องไปถึงสุดขั้วทั้งสองอย่าง

ขั้นตอนที่ 1: การออกแบบเครื่องขยายเสียงเครื่องมือ

หลังจากรับสัญญาณแล้ว จะต้องมีการขยายสัญญาณเพื่อทำการคำนวณและกรองสัญญาณ สำหรับการตรวจคลื่นไฟฟ้าหัวใจ วิธีการทั่วไปในการขยายสัญญาณคือเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด ดังที่ได้กล่าวมาแล้ว แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดมีข้อดีหลายประการเมื่อพูดถึงวงจรขยายสัญญาณ ที่ใหญ่ที่สุดคืออิมพีแดนซ์สูงระหว่างแรงดันไฟฟ้าอินพุต ในการสร้างวงจรนี้ ใช้ออปแอมป์ 3 ตัวร่วมกับตัวต้านทาน 7 ตัว โดยมีตัวต้านทาน 6 ตัวที่มีขนาดเท่ากัน อัตราขยายของคลื่นไฟฟ้าหัวใจส่วนใหญ่อยู่ที่ประมาณ 1,000 เท่าของสัญญาณอินพุต [1] สมการของเกนของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดมีดังนี้: เกน = 1 + (2*R1/R2) * (R7/R6) เพื่อความเรียบง่าย ตัวต้านทานทุกตัวจะถือว่า 1,000 โอห์ม ยกเว้น R2 ซึ่งถูกกำหนดให้เป็น 2 โอห์ม ค่าเหล่านี้ให้อัตราขยายที่มากกว่าแรงดันไฟฟ้าอินพุต 1001 เท่า อัตราขยายนี้เพียงพอที่จะขยายสัญญาณที่ได้มาเพื่อการวิเคราะห์ต่อไป อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้สมการ เกนจะเป็นอะไรก็ได้ที่เราต้องการสำหรับการออกแบบวงจร

ขั้นตอนที่ 2: การออกแบบตัวกรองแบนด์พาส

ตัวกรองแบนด์พาสเป็นตัวกรองความถี่สูงและตัวกรองความถี่ต่ำซึ่งมักจะทำงานร่วมกับ op-amp เพื่อให้สิ่งที่เรียกว่า passband passband คือช่วงความถี่ที่สามารถผ่านได้ในขณะที่ความถี่อื่นๆ ทั้งหมด ด้านบนและด้านล่าง จะถูกปฏิเสธ มาตรฐานอุตสาหกรรมระบุว่าคลื่นไฟฟ้าหัวใจมาตรฐานต้องมี passband จาก 0.5 Hz ถึง 150 Hz [2] passband ขนาดใหญ่นี้ช่วยให้แน่ใจว่าสัญญาณไฟฟ้าทั้งหมดจากหัวใจจะถูกบันทึกและไม่มีการกรองสัญญาณใดๆ ออก ในทำนองเดียวกัน passband นี้จะปฏิเสธ DC offset ที่อาจรบกวนสัญญาณ ในการออกแบบนี้ ต้องเลือกตัวต้านทานและตัวเก็บประจุเฉพาะเพื่อให้ความถี่คัทออฟผ่านสูงอยู่ที่ 0.5 Hz และความถี่คัทออฟความถี่ต่ำอยู่ที่ 150 Hz สมการความถี่คัทออฟสำหรับทั้งฟิลเตอร์สูงและความถี่ต่ำมีดังต่อไปนี้: Fc = 1/(2*pi*RC) สำหรับการคำนวณของฉัน เลือกตัวต้านทานตามอำเภอใจ จากนั้นใช้สมการที่ 4 คำนวณค่าตัวเก็บประจุ ดังนั้นตัวกรองความถี่สูงจะมีค่าความต้านทาน 100, 000 โอห์มและค่าตัวเก็บประจุเท่ากับ 3.1831 ไมโครฟารัด ในทำนองเดียวกันตัวกรองความถี่ต่ำจะมีค่าความต้านทาน 100, 000 โอห์มและค่าตัวเก็บประจุ 10.61 นาโนฟารัด ไดอะแกรมของตัวกรองแบนด์พาสพร้อมค่าที่ปรับแล้วจะแสดงขึ้น

ขั้นตอนที่ 3: การออกแบบตัวกรองรอย

ตัวกรองรอยบากเป็นสิ่งที่ตรงกันข้ามกับตัวกรองแบนด์พาส แทนที่จะส่งผ่านสูงตามด้วยการผ่านต่ำ มันเป็นการผ่านต่ำตามด้วยการผ่านสูง ดังนั้นโดยพื้นฐานแล้วเราสามารถขจัดสัญญาณรบกวนเล็กๆ หนึ่งแถบได้ สำหรับตัวกรองรอยบากของคลื่นไฟฟ้าหัวใจ มีการใช้การออกแบบตัวกรองรอยบาก Twin-T การออกแบบนี้ช่วยให้สามารถกรองความถี่กลางและให้ปัจจัยด้านคุณภาพที่มีขนาดใหญ่ ในกรณีนี้ ความถี่กลางที่จะกำจัดคือ 60 Hz ใช้สมการที่ 4 คำนวณค่าตัวต้านทานโดยใช้ค่าตัวเก็บประจุที่กำหนดที่ 0.1 ไมโครฟารัด ค่าตัวต้านทานที่คำนวณได้สำหรับแถบหยุด 60 Hz คือ 26, 525 โอห์ม จากนั้น R5 ถูกคำนวณเป็น ½ ของ R3 และ R4 C3 ยังคำนวณเป็นสองเท่าของค่าที่เลือกสำหรับ C1 และ C2 [3] เลือกตัวต้านทานตามอำเภอใจสำหรับ R1 และ R2

ขั้นตอนที่ 4: วงจรรวม

โดยใช้ตาข่าย ส่วนประกอบเหล่านี้ถูกจัดวางเป็นอนุกรมเข้าด้วยกัน และได้ภาพของวงจรที่เสร็จสมบูรณ์แล้ว ตามรายงานที่ตีพิมพ์โดย Springer Science อัตราขยายที่ยอมรับได้ของวงจร ECG ควรอยู่ที่ประมาณ 70 dB เมื่อตั้งค่าวงจรทั้งหมด [4]

ขั้นตอนที่ 5: ทดสอบวงจรทั้งหมด

เมื่อวางส่วนประกอบทั้งหมดเป็นชุด จำเป็นต้องมีการตรวจสอบความถูกต้องของการออกแบบ การทดสอบวงจรนี้ ทั้งการกวาดแบบชั่วคราวและแบบ AC เพื่อตรวจสอบว่าส่วนประกอบทั้งหมดทำงานพร้อมกันหรือไม่ หากเป็นกรณีนี้ แรงดันเอาต์พุตชั่วคราวจะยังคงอยู่ที่ประมาณ 1,000x ของแรงดันไฟฟ้าอินพุต ในทำนองเดียวกัน เมื่อทำการกวาดไฟฟ้ากระแสสลับ จะมีการคาดคะเนโครงร่างสัญญาณของตัวกรองแบนด์พาสโดยมีรอยบากที่ 60 เฮิรตซ์ เมื่อดูภาพในภาพ วงจรนี้สามารถบรรลุเป้าหมายทั้งสองได้สำเร็จ การทดสอบอีกอย่างหนึ่งคือการดูประสิทธิภาพของตัวกรองรอยบาก เพื่อทดสอบสิ่งนี้ สัญญาณ 60 Hz ถูกส่งผ่านวงจร ตามภาพ ขนาดของเอาต์พุตนี้มากกว่าอินพุตเพียง 5 เท่า เทียบกับ 1,000 เท่าเมื่อความถี่อยู่ภายใน passband

ขั้นตอนที่ 6: ทรัพยากร:

[1] “ระบบการวัด ECG,” Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (เข้าถึงเมื่อวันที่ 01 ธันวาคม, 2563).

[2] L. G. Tereshchenko และ M. E. Josephson, “เนื้อหาความถี่และลักษณะของการนำไฟฟ้าหัวใจห้องล่าง,” Journal of electrocardiology, vol. 48 หมายเลข 6, pp. 933–937, 2015, ดอย: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] “Band Stop Filters เรียกว่า Reject Filters” Basic Electronics Tutorials วันที่ 22 พฤษภาคม 2018

[4] N. Guler และ U. Fidan “การส่งสัญญาณ ECG แบบไร้สาย” Springer Science, vol. 30 เม.ย. 2548 ดอย: 10.1007/s10916-005-7980-5