ECG อัตโนมัติ: การจำลองการขยายและกรองโดยใช้ LTspice: 5 ขั้นตอน

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

นี่คือภาพอุปกรณ์ขั้นสุดท้ายที่คุณจะสร้างและการอภิปรายเชิงลึกเกี่ยวกับแต่ละส่วน ยังอธิบายการคำนวณสำหรับแต่ละขั้นตอน

รูปภาพแสดงแผนภาพบล็อกสำหรับอุปกรณ์นี้

วิธีการและวัสดุ:

โครงงานนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนาอุปกรณ์รับสัญญาณเพื่อกำหนดลักษณะเฉพาะของสัญญาณชีวภาพ/รวบรวมข้อมูลที่เกี่ยวข้องของสัญญาณ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ECG อัตโนมัติ บล็อกไดอะแกรมที่แสดงในรูปที่ 3 เน้นแผนผังที่เสนอสำหรับอุปกรณ์ อุปกรณ์จะรับสัญญาณชีวภาพผ่านอิเล็กโทรดแล้วขยายโดยใช้แอมพลิฟายเออร์ที่มีอัตราขยาย 1,000 การขยายนี้มีความจำเป็นเนื่องจากสัญญาณชีวภาพจะน้อยกว่าที่ประมาณ 5mV ซึ่งเล็กมากและอาจตีความได้ยาก [5] หลังจากนั้นสัญญาณรบกวนจะลดลงโดยใช้ตัวกรองแบนด์พาสเพื่อให้ได้ช่วงความถี่ที่ต้องการสำหรับสัญญาณ 0.5-150 Hz จากนั้นจึงเพิ่มรอยบากตามเพื่อขจัดเสียงรบกวนรอบข้างปกติที่เกิดจากสายไฟที่พบได้ประมาณ 50-60 Hz [11]. สุดท้ายต้องแปลงสัญญาณเป็นดิจิตอลเพื่อให้สามารถตีความได้โดยใช้คอมพิวเตอร์และทำด้วยตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล อย่างไรก็ตาม ในการศึกษานี้ จะเน้นไปที่เครื่องขยายเสียง ตัวกรองแบนด์พาส และตัวกรองรอยบากเป็นหลัก

แอมพลิฟายเออร์ ฟิลเตอร์แบนด์พาส และฟิลเตอร์บากทั้งหมดได้รับการออกแบบและจำลองโดยใช้ LTSpice แต่ละส่วนได้รับการพัฒนาขึ้นก่อนแยกจากกันและทดสอบเพื่อให้แน่ใจว่าทำงานได้อย่างถูกต้องแล้วจึงรวมเป็นแผนผังสุดท้าย แอมพลิฟายเออร์ดังแสดงในรูปที่ 4 ได้รับการออกแบบและใช้แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดมักใช้ใน ECG เครื่องตรวจสอบอุณหภูมิ และแม้แต่เครื่องตรวจจับแผ่นดินไหว เนื่องจากสามารถขยายสัญญาณในระดับต่ำมากในขณะที่ปฏิเสธเสียงรบกวนที่มากเกินไป นอกจากนี้ยังง่ายต่อการปรับเปลี่ยนเพื่อปรับให้เข้ากับความต้องการ [6] อัตราขยายที่ต้องการสำหรับวงจรคือ 1,000 และเลือกสิ่งนี้เนื่องจากอินพุตจากอิเล็กโทรดจะเป็นสัญญาณ AC ที่น้อยกว่า 5 mV [5] และจำเป็นต้องขยายเพื่อให้การตีความข้อมูลง่ายขึ้น เพื่อให้ได้กำไร 1,000 สมการ (1) GAIN=(1+(R2+R4)/R1)(R6/R3) ถูกใช้ซึ่งทำให้ได้ GAIN=(1+(5000Ω+5000Ω)/101.01Ω)(1000Ω/100Ω) = 1000 เพื่อยืนยันปริมาณการขยายที่ถูกต้อง การทดสอบชั่วคราวได้ดำเนินการโดยใช้ LTspice

ขั้นตอนที่สองคือตัวกรองแบนด์พาส ตัวกรองนี้สามารถเห็นได้ในรูปที่ 5 และประกอบด้วยตัวกรองความถี่ต่ำและตัวกรองความถี่สูงที่มีแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงานอยู่ระหว่างนั้นเพื่อป้องกันไม่ให้ตัวกรองตัดกัน จุดประสงค์ของขั้นตอนนี้คือการสร้างช่วงความถี่ที่กำหนดไว้ซึ่งเป็นที่ยอมรับในการส่งผ่านอุปกรณ์ ช่วงที่ต้องการสำหรับอุปกรณ์นี้คือ 0.5 – 150 Hz เนื่องจากเป็นช่วงมาตรฐานสำหรับ ECG [6] เพื่อให้บรรลุช่วงเป้าหมายนี้ สมการ (2) ความถี่คัทออฟ = 1/(2πRC) ถูกใช้เพื่อกำหนดความถี่คัทออฟสำหรับทั้งฟิลเตอร์กรองสูงและความถี่ต่ำภายในแบนด์พาส เนื่องจากค่าต่ำสุดของช่วงจำเป็นต้องเป็น 0.5 Hz ค่าตัวต้านทานตัวกรองความถี่สูงและตัวเก็บประจุจึงคำนวณเป็น 0.5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318.83µF) และปลายบนต้องเป็น 150 Hz ค่าต่ำสุด ค่าตัวต้านทานตัวกรองผ่านและตัวเก็บประจุถูกคำนวณเป็น 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1.061µF) เพื่อยืนยันว่ามีช่วงความถี่ที่ถูกต้อง ให้รันการกวาด AC โดยใช้ LTspice

ขั้นตอนที่สามและขั้นสุดท้ายที่จำลองขึ้นคือตัวกรองรอยบาก และสามารถเห็นได้ในรูปที่ 6 ตัวกรองรอยบากทำหน้าที่เป็นวิธีกำจัดสัญญาณรบกวนที่ไม่ต้องการซึ่งเกิดขึ้นในช่วงกลางของช่วงความถี่ที่ต้องการที่สร้างโดยแบนด์พาส ความถี่เป้าหมายในกรณีนี้คือ 60 Hz เนื่องจากเป็นความถี่ของสายไฟมาตรฐานในสหรัฐอเมริกาและทำให้เกิดสัญญาณรบกวนหากไม่จัดการกับ [7] ตัวกรองรอยบากที่เลือกเพื่อจัดการกับสัญญาณรบกวนนี้คือตัวกรองรอยบากคู่ที่มีแอมป์สหกรณ์สองตัวและตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า สิ่งนี้จะช่วยให้สัญญาณไม่เพียงแต่กรองสัญญาณออกโดยตรงที่ความถี่เป้าหมาย แต่ยังแนะนำตัวแปรป้อนกลับเข้าสู่ระบบ ปัจจัยคุณภาพ Q ที่ปรับได้ และเอาต์พุตตัวแปรด้วยตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า ดังนั้นจึงทำให้ตัวกรองนี้เป็นตัวกรองแบบแอ็คทีฟแทน แบบพาสซีฟ [8] อย่างไรก็ตาม ปัจจัยพิเศษเหล่านี้ส่วนใหญ่ไม่ได้ถูกแตะต้องในการทดสอบครั้งแรก แต่จะกล่าวถึงในผลงานในอนาคตและวิธีปรับปรุงโครงการในภายหลัง ในการหาจุดศูนย์กลางของความถี่การปฏิเสธ สมการ (3) ความถี่การปฏิเสธตรงกลาง=1/(2π)*√(1/(C2*C3*R5*(R3+R4))) = 1/(2π)* √(1/[(0.1*10^-6µF)*(0.1*10^-6µF)(15000Ω)*(26525Ω +26525Ω)]) = 56.420 Hz ถูกใช้ เพื่อยืนยันว่ามีความถี่ในการปฏิเสธที่ถูกต้อง การกวาด AC ถูกเรียกใช้โดยใช้ LTspice

ในที่สุด หลังจากที่แต่ละสเตจได้รับการทดสอบแยกกัน ทั้งสามขั้นตอนถูกรวมเข้าด้วยกันดังที่แสดงในรูปที่ 7 นอกจากนี้ควรสังเกตด้วยว่าออปแอมป์ทั้งหมดนั้นมาพร้อมกับแหล่งจ่ายไฟ DC +15V และ -15V เพื่อให้สามารถขยายได้อย่างมาก ที่จะเกิดขึ้นเมื่อจำเป็น จากนั้นทำการทดสอบชั่วคราวและกวาดกระแสสลับบนวงจรที่เสร็จสมบูรณ์

ผลลัพธ์:

กราฟสำหรับแต่ละขั้นตอนสามารถพบได้โดยตรงภายใต้ขั้นตอนที่เกี่ยวข้องในส่วนรูปในภาคผนวก สำหรับสเตจแรก แอมพลิฟายเออร์แบบใช้อุปกรณ์วัดจะทำการทดสอบชั่วคราวบนวงจรเพื่อทดสอบเพื่อให้แน่ใจว่าเกนของแอมพลิฟายเออร์อยู่ที่ 1,000 การทดสอบใช้เวลาตั้งแต่ 1 – 1.25 วินาทีด้วยขั้นตอนเวลาสูงสุด 0.05 แรงดันไฟฟ้าที่ให้มาคือคลื่นไซน์ AC ที่มีแอมพลิจูด 0.005 V และความถี่ 50 Hz อัตราขยายที่ตั้งใจไว้คือ 1,000 และดังแสดงในรูปที่ 4 เนื่องจาก Vout (เส้นโค้งสีเขียว) มีแอมพลิจูด 5V กำไรที่จำลองถูกคำนวณเป็น gain = Vout/Vin = 5V/0.005V = 1000 ดังนั้น เปอร์เซ็นต์ข้อผิดพลาดสำหรับขั้นตอนนี้คือ 0% 0.005V ถูกเลือกเป็นอินพุตสำหรับส่วนนี้ เนื่องจากจะสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับอินพุตที่ได้รับจากอิเล็กโทรดดังที่กล่าวไว้ในส่วนวิธีการ

ขั้นตอนที่สอง ตัวกรองแบนด์พาส มีช่วงเป้าหมายที่ 0.5 – 150 Hz เพื่อทดสอบตัวกรองและตรวจสอบให้แน่ใจว่าช่วงตรงกัน ทศวรรษที่ผ่านมา การกวาดกระแสสลับได้ดำเนินการด้วยคะแนน 100 คะแนนต่อหนึ่งทศวรรษตั้งแต่ 0.01 - 1,000 เฮิรตซ์ รูปที่ 5 แสดงผลจากการกวาด AC และยืนยันว่ามีช่วงความถี่ 0.5 ถึง 150 Hz เนื่องจากค่าสูงสุดลบ 3 dB ให้ความถี่ตัด วิธีนี้จะแสดงให้เห็นในกราฟ

ขั้นตอนที่สาม ตัวกรองรอยบาก ออกแบบมาเพื่อขจัดเสียงรบกวนที่พบได้ประมาณ 60 เฮิรตซ์ ศูนย์กลางของความถี่การปฏิเสธที่คำนวณได้คือ ~56 Hz เพื่อยืนยันสิ่งนี้ หนึ่งทศวรรษ การกวาด AC ดำเนินการด้วยคะแนน 100 คะแนนต่อทศวรรษจาก 0.01 – 1,000 Hz รูปที่ 6 แสดงผลจากการกวาดกระแสสลับและแสดงจุดศูนย์กลางของความถี่การปฏิเสธ ~56-59 Hz เปอร์เซ็นต์ข้อผิดพลาดสำหรับส่วนนี้จะ 4.16 %

หลังจากยืนยันว่าแต่ละขั้นตอนทำงานแล้ว ทั้งสามขั้นตอนจึงถูกประกอบดังแสดงในรูปที่ 7 จากนั้นทำการทดสอบชั่วคราวเพื่อตรวจสอบการขยายของวงจรและการทดสอบเริ่มตั้งแต่ 1 – 1.25 วินาทีด้วยขั้นตอนเวลาสูงสุด 0.05 โดยมี แรงดันไฟฟ้าที่ให้มาของคลื่นไซน์ AC ที่มีแอมพลิจูด 0.005 V และความถี่ 50 Hz กราฟผลลัพธ์เป็นกราฟแรกในรูปที่ 7 แสดง Vout3 (สีแดง) เอาต์พุตของทั้งวงจรคือ 3.865 V ดังนั้นจึงได้ค่าเกน = 3.865V/0.005V = 773 ซึ่งแตกต่างอย่างมากจากอัตราขยายที่ต้องการที่ 1,000 และให้ข้อผิดพลาด 22.7% หลังจากการทดสอบชั่วครู่ ทศวรรษที่ผ่านมา AC กวาด 100 จุดต่อทศวรรษจาก 0.01 – 1000 Hz และสร้างกราฟที่สองในรูปที่ 7 กราฟนี้เน้นผลลัพธ์ที่ตั้งใจไว้และแสดงตัวกรองที่ทำงานควบคู่กันเพื่อสร้างตัวกรองที่ รับความถี่ตั้งแต่ 0.5-150 Hz โดยมีจุดศูนย์กลางการปฏิเสธตั้งแต่ 57.5-58.8 Hz

สมการ:

(1) – เกนของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด [6], ตัวต้านทานเทียบกับที่พบในรูปที่ 4

(2) – ความถี่ตัดสำหรับตัวกรองความถี่ต่ำ/สูง

(3) – สำหรับตัวกรองรอยบากคู่ [8] ตัวต้านทานเทียบกับที่พบในรูปที่ 6

ขั้นตอนที่ 1: เครื่องมือขยายสัญญาณ

ขั้นตอนที่ 1: เครื่องขยายเสียงเครื่องมือ

สมการ - GAIN=(1+(R2+R4)/R1)(R6/R3)

ขั้นตอนที่ 2: แบนด์พาส

ขั้นที่ 2: ตัวกรองแบนด์พาส

สมการ: ความถี่ตัด = 1/2πRC

ขั้นตอนที่ 3: ขั้นตอนที่ 3: ตัวกรองรอย

ขั้นตอนที่ 3: ตัวกรอง Twin T Notch

สมการ - ความถี่การปฏิเสธตรงกลาง=1/2π √(1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

ขั้นตอนที่ 4: แผนผังสุดท้ายของทุกขั้นตอนร่วมกัน

แผนผังขั้นสุดท้ายพร้อมการกวาด ac และเส้นโค้งชั่วคราว

ขั้นตอนที่ 5: อภิปรายเกี่ยวกับอุปกรณ์

การอภิปราย:

ผลจากการทดสอบข้างต้นเป็นไปตามที่คาดไว้สำหรับวงจรโดยรวม แม้ว่าการขยายสัญญาณจะไม่สมบูรณ์แบบและสัญญาณจะลดลงเล็กน้อยยิ่งผ่านวงจร (ซึ่งสามารถดูได้ในรูปที่ 7 กราฟที่ 1 ซึ่งสัญญาณเพิ่มขึ้นจาก 0.005V เป็น 5V หลังจากระยะแรกและลดลงเป็น 4V หลังจากช่วงที่สอง จากนั้น 3.865V หลังจากขั้นตอนสุดท้าย) ตัวกรองแบนด์พาสและรอยบากทำงานตามที่ตั้งใจไว้และสร้างช่วงความถี่ 0.5–150 Hz โดยกำจัดความถี่ประมาณ 57.5-58.8 Hz

หลังจากสร้างพารามิเตอร์สำหรับวงจรของฉันแล้ว ฉันจึงเปรียบเทียบกับ ECG อื่นอีกสองตัว การเปรียบเทียบโดยตรงมากขึ้นกับตัวเลขเพียงอย่างเดียวสามารถพบได้ในตารางที่ 1 มีประเด็นสำคัญสามประการเมื่อเปรียบเทียบข้อมูลของฉันกับแหล่งข้อมูลวรรณกรรมอื่นๆ อย่างแรกคือกำลังขยายในวงจรของฉันต่ำกว่าอีกสองตัวที่ฉันเปรียบเทียบด้วยเช่นกัน วงจรแหล่งที่มาของวรรณกรรมทั้งสองมีการขยายสัญญาณที่ 1,000 และใน ECG ของ Gawali [9] สัญญาณก็ถูกขยายเพิ่มเติมอีกโดยปัจจัย 147 ในขั้นตอนการกรอง ดังนั้นแม้ว่าสัญญาณในวงจรของผมจะขยายขึ้น 773 (ผิดพลาด 22.7% เมื่อเปรียบเทียบกับการขยายมาตรฐาน) และถือว่าเพียงพอที่จะตีความสัญญาณอินพุตจากอิเล็กโทรด [6] ก็ยังแคระเมื่อเทียบกับการขยายมาตรฐานคือ 1000. หากวงจรของฉันต้องขยายมาตรฐาน การขยายสัญญาณในแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือจะต้องเพิ่มขึ้นเป็นปัจจัยที่มากกว่า 1,000 เพื่อที่ว่าเมื่ออัตราขยายลดลงหลังจากผ่านแต่ละขั้นตอนตัวกรองในวงจรของฉัน มันยังคงมีเกนอย่างน้อย 1,000 หรือจำเป็นต้องปรับตัวกรองเพื่อป้องกันไม่ให้ระดับแรงดันตกที่สูงขึ้นเกิดขึ้น

ประเด็นสำคัญประการที่สองคือทั้งสามวงจรมีช่วงความถี่ที่ใกล้เคียงกันมาก Gawali's [9] มีช่วงเดียวกันที่แน่นอนที่ 0.5-150 Hz ในขณะที่ Goa [10] มีช่วงกว้างขึ้นเล็กน้อยที่ 0.05-159 Hz วงจรของกัวมีความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยเนื่องจากช่วงนั้นเหมาะกับการ์ดเก็บข้อมูลที่ใช้ในการตั้งค่ามากกว่า

ประเด็นสำคัญประการสุดท้ายคือความแตกต่างในจุดศูนย์กลางของความถี่การปฏิเสธที่ทำได้โดยตัวกรองรอยบากในแต่ละวงจร Gao และวงจรของฉันทั้งคู่มีเป้าหมายที่ 60 Hz เพื่อระงับสัญญาณรบกวนความถี่สายที่เกิดจากสายไฟในขณะที่ Gawali ตั้งไว้ที่ 50 Hz อย่างไรก็ตาม ความคลาดเคลื่อนนี้ใช้ได้เนื่องจากขึ้นอยู่กับตำแหน่งในโลก ความถี่ของสายไฟอาจเป็น 50 หรือ 60 Hz ดังนั้นจึงมีการเปรียบเทียบโดยตรงกับวงจรของกัวเนื่องจากการรบกวนของสายไฟในสหรัฐอเมริกาคือ 60 Hz [11] เปอร์เซ็นต์ข้อผิดพลาดคือ 3.08%