ECG automatizzato: simulazioni di amplificazione e filtro con LTspice: 5 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

Questa è l'immagine del dispositivo finale che costruirai e una discussione molto approfondita su ciascuna parte. Descrive anche i calcoli per ogni fase.

L'immagine mostra lo schema a blocchi per questo dispositivo

Metodi e materiali:

L'obiettivo di questo progetto era sviluppare un dispositivo di acquisizione del segnale per caratterizzare uno specifico segnale biologico/raccogliere dati rilevanti sul segnale. Più specificamente, un ECG automatizzato. Lo schema a blocchi mostrato in Figura 3 evidenzia lo schema proposto per il dispositivo. Il dispositivo riceverebbe il segnale biologico tramite un elettrodo e quindi lo amplificherebbe utilizzando un amplificatore con un guadagno di 1000. Questa amplificazione è necessaria poiché il segnale biologico sarà inferiore a circa 5 mV, che è molto piccolo e può essere difficile da interpretare [5]. Successivamente, il rumore verrebbe ridotto utilizzando un filtro passa-banda per ottenere la gamma di frequenza desiderata per il segnale, 0,5-150 Hz, e quindi seguirebbe una tacca per rimuovere il normale rumore circostante causato dalle linee elettriche che si trovano intorno a 50-60 Hz [11]. Infine, il segnale deve essere convertito in digitale in modo che possa essere interpretato utilizzando un computer e questo viene fatto con un convertitore da analogico a digitale. In questo studio, tuttavia, l'attenzione sarà principalmente rivolta all'amplificatore, al filtro passa-banda e al filtro notch.

L'amplificatore, il filtro passa banda e il filtro notch sono stati tutti progettati e simulati utilizzando LTSpice. Ogni sezione è stata prima sviluppata separatamente e testata per assicurarsi che funzionasse correttamente e quindi concatenata in uno schema finale. L'amplificatore, che può essere visto nella figura 4, è stato progettato e basato su un amplificatore strumentale. Un amplificatore per strumentazione è comunemente usato negli ECG, nei monitor di temperatura e persino nei rilevatori di terremoti perché può amplificare un livello di segnale molto basso respingendo il rumore in eccesso. È anche molto facile da modificare per regolare qualsiasi guadagno sia necessario [6]. Il guadagno desiderato per il circuito è 1000 e questo è stato selezionato poiché l'ingresso dall'elettrodo sarà un segnale CA inferiore a 5 mV [5] e deve essere amplificato per rendere i dati più facili da interpretare. Per ottenere un guadagno di 1000, è stata utilizzata l'equazione (1) GAIN=(1+(R2+R4)/R1)(R6/R3) che ha quindi prodotto GAIN=(1+(5000Ω+5000Ω)/101.01Ω)(1000Ω/100Ω) = 1000. Per confermare che è stata ottenuta la corretta quantità di amplificazione, è stato condotto un test transitorio utilizzando LTspice.

Il secondo stadio è stato un filtro passa-banda. Questo filtro può essere visto nella Figura 5 ed è costituito da un filtro passa basso e quindi un filtro passa alto con un amplificatore operazionale in mezzo per evitare che i filtri si annullino a vicenda. Lo scopo di questa fase è di produrre un determinato intervallo di frequenze che sarà accettabile per passare attraverso il dispositivo. L'intervallo desiderato per questo dispositivo è 0,5 – 150 Hz poiché questo è l'intervallo standard per l'ECG [6]. Per raggiungere questo intervallo target, è stata utilizzata la frequenza di taglio dell'equazione (2) = 1/(2πRC) per determinare la frequenza di taglio sia per il filtro passa-alto che passa-basso all'interno del passa-banda. Poiché l'estremità inferiore dell'intervallo doveva essere 0,5 Hz, i valori del resistore del filtro passa alto e del condensatore sono stati calcolati come 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83 µF) e con l'estremità superiore che doveva essere 150 Hz, I valori del resistore del filtro passa e del condensatore sono stati calcolati per essere 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1.061µF). Per confermare che è stata raggiunta la gamma di frequenza corretta, è stata eseguita una scansione AC utilizzando LTspice.

Il terzo e ultimo stadio simulato è il filtro notch e può essere visto nella Figura 6. Il filtro notch serve come mezzo per eliminare il rumore indesiderato che si verifica nel mezzo della gamma di frequenza desiderata creata dal passa-banda. La frequenza target in questo caso è 60 Hz poiché questa è la frequenza standard della linea elettrica negli Stati Uniti e causa interferenze se non trattata [7]. Il filtro notch selezionato per gestire questa interferenza era un filtro notch a doppia T con due amplificatori operazionali e un partitore di tensione. Ciò consentirà al segnale non solo di filtrare il segnale direttamente alla frequenza target, ma anche di introdurre un feedback variabile nel sistema, un fattore di qualità regolabile Q e un'uscita variabile grazie al partitore di tensione e quindi ha reso questo un filtro attivo invece di un passivo [8]. Questi fattori extra, tuttavia, sono stati per lo più lasciati intatti nei test iniziali, ma verranno toccati nei lavori futuri e su come migliorare il progetto in seguito. Per determinare il centro della frequenza di rifiuto, l'equazione (3) frequenza di rifiuto centrale=1/(2π)*√(1/(C2*C3*R5*(R3+R4))) = 1/(2π)* È stato impiegato √(1/[(0.1*10^-6µF)*(0.1*10^-6µF)(15000Ω)*(26525Ω +26525Ω)]) = 56,420 Hz. Per confermare che è stata raggiunta la frequenza di rigetto corretta, è stata eseguita una scansione AC utilizzando LTspice.

Infine, dopo che ogni stadio è stato testato separatamente, i tre stadi sono stati combinati come mostrato nella Figura 7. Va inoltre notato che tutti gli amplificatori operazionali sono stati forniti con un'alimentazione a +15V e -15V DC per consentire un'amplificazione sostanziale verificarsi quando necessario. Quindi sono stati eseguiti sia un test transitorio che uno sweep AC sul circuito completato.

Risultati:

I grafici per ogni fase possono essere trovati direttamente sotto la rispettiva fase nella sezione Figura in appendice. Per il primo stadio, l'amplificatore strumentale, è stato eseguito un test transitorio sul circuito per verificare che il guadagno dell'amplificatore fosse 1000. Il test è stato eseguito da 1 a 1,25 secondi con un passo temporale massimo di 0,05. La tensione fornita era un'onda sinusoidale CA con un'ampiezza di 0,005 V e una frequenza di 50 Hz. Il guadagno previsto era 1000 e, come mostrato nella Figura 4, poiché la Vout (la curva verde) aveva un'ampiezza di 5V. Il guadagno simulato è stato calcolato come guadagno = Vout/Vin = 5 V/0,005 V = 1000. Pertanto, l'errore percentuale per questa fase è 0%. 0,005 V è stato selezionato come ingresso per questa sezione in quanto sarà strettamente correlato all'ingresso ricevuto da un elettrodo come menzionato nella sezione metodi.

Il secondo stadio, il filtro passa-banda, aveva un intervallo target di 0,5 – 150 Hz. Per testare il filtro e assicurarsi che l'intervallo corrisponda, un decennio, la scansione CA è stata eseguita con 100 punti per decennio da 0,01 a 1000 Hz. La Figura 5 mostra i risultati della scansione AC e conferma che è stato raggiunto un intervallo di frequenza da 0,5 a 150 Hz perché il massimo meno 3 dB fornisce la frequenza di taglio. Questo metodo è illustrato nel grafico.

Il terzo stadio, filtro notch, è stato progettato per eliminare il rumore che si trova intorno ai 60 Hz. Il centro calcolato della frequenza di rifiuto era ~ 56 Hz. A conferma di ciò, per un decennio è stata eseguita una scansione AC con 100 punti per decennio da 0,01 a 1000 Hz. La Figura 6 mostra i risultati della scansione AC e illustra un centro di frequenza di rifiuto ~ 56-59 Hz. L'errore percentuale per questa sezione sarebbe del 4,16%.

Dopo aver confermato che ogni singolo stadio funzionava, i tre stadi sono stati quindi assemblati come mostrato in Figura 7. Quindi è stato eseguito un test transitorio per verificare l'amplificazione del circuito e il test è durato da 1 a 1,25 secondi con un passo temporale massimo di 0,05 con un tensione fornita di un'onda sinusoidale CA con un'ampiezza di 0,005 V e una frequenza di 50 Hz. Il grafico risultante è il primo grafico in Figura 7 mostra Vout3 (rosso), l'uscita dell'intero circuito, essendo 3,865 V e quindi rendendo il guadagno = 3,865 V/0,005 V = 773. Questo è significativamente diverso dal guadagno previsto di 1000 e dà un errore del 22,7%. Dopo il test transitorio, un decennio, la scansione AC è stata eseguita con 100 punti per decennio da 0,01 a 1000 Hz e ha prodotto il secondo grafico nella Figura 7. Questo grafico evidenzia i risultati previsti e mostra i filtri che lavorano in tandem per produrre un filtro che accetta frequenze da 0,5-150 Hz con un centro di reiezione da 57,5-58,8 Hz.

Equazioni:

(1) – guadagno dell'amplificatore della strumentazione [6], resistenze relative a quelle che si trovano in Figura 4.

(2) – frequenza di taglio per un filtro passa basso/alto

(3) – per filtro notch twin t [8], resistenze relative a quelle che si trovano in Figura 6.

Passaggio 1: amplificatore strumentale

Fase 1: l'amplificatore strumentale

equazione - GUADAGNO=(1+(R2+R4)/R1)(R6/R3)

Passaggio 2: passabanda

fase 2: filtro passa-banda

equazione: frequenza di taglio= 1/2πRC

Fase 3: Fase 3: filtro notch

fase 3: filtro Notch Twin T

equazione - frequenza di rifiuto centrale=1/2π √(1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Passaggio 4: schema finale di tutte le fasi insieme

Schema finale con sweep ac e curve transitorie

Passaggio 5: discussione sul dispositivo

Discussione:

Il risultato dei test sopra eseguiti è andato come previsto per il circuito nel suo complesso. Sebbene l'amplificazione non fosse perfetta e il segnale degradasse leggermente man mano che attraversava il circuito (come si può vedere in Figura 7, grafico 1 dove il segnale aumentava da 0.005V a 5V dopo il primo stadio e poi diminuiva a 4V dopo il secondo e poi 3,865 V dopo lo stadio finale), il filtro passa-banda e notch ha funzionato come previsto e ha prodotto un intervallo di frequenza di 0,5-150 Hz con una rimozione della frequenza di circa 57,5-58,8 Hz.

Dopo aver stabilito i parametri per il mio circuito, l'ho confrontato con altri due ECG. Un confronto più diretto con i soli numeri può essere trovato nella Tabella 1. C'erano tre conclusioni principali quando si confrontavano i miei dati con altre fonti di letteratura. Il primo era che l'amplificazione nel mio circuito era significativamente inferiore rispetto agli altri due che stavo confrontando anche io. Entrambi i circuiti delle fonti di letteratura hanno raggiunto un'amplificazione di 1000 e nell'ECG di Gawali [9], il segnale è stato ulteriormente amplificato di un fattore di 147 nello stadio del filtro. Pertanto, sebbene il segnale nel mio circuito sia stato amplificato di 773 (errore del 22,7% rispetto all'amplificazione standard) e ritenuto sufficiente per poter interpretare il segnale di ingresso dall'elettrodo [6], è ancora sminuito rispetto all'amplificazione standard. 1000. Se si desidera ottenere un'amplificazione standard nel mio circuito, l'amplificazione nell'amplificatore strumentale dovrebbe essere aumentata a un fattore maggiore di 1000 in modo che quando il guadagno viene ridotto dopo aver attraversato ciascuno degli stadi del filtro nel mio circuito, ha ancora un guadagno di almeno 1000 oppure i filtri devono essere regolati per evitare che si verifichino livelli di caduta di tensione più elevati.

Il secondo aspetto importante era che tutti e tre i circuiti avevano gamme di frequenza molto simili. Il Gawali [9] aveva esattamente lo stesso intervallo di 0,5-150 Hz mentre il Goa [10] aveva un intervallo leggermente più ampio di 0,05-159 Hz. Il circuito di Goa aveva questa leggera discrepanza perché quell'intervallo si adattava meglio alla scheda di acquisizione dati che veniva utilizzata nella loro configurazione.

L'ultimo aspetto importante riguarda le differenze nel centro delle frequenze di reiezione raggiunte dai filtri notch in ciascun circuito. Sia il circuito di Gao che il mio avevano un obiettivo di 60 Hz per sopprimere il rumore della frequenza di linea causato dalle linee elettriche mentre quello di Gawali era impostato su 50 Hz. Tuttavia, questa discrepanza va bene poiché, a seconda della posizione nel mondo, la frequenza della linea di alimentazione può essere di 50 o 60 Hz. Pertanto, è stato fatto un confronto diretto solo con il circuito di Goa poiché l'interferenza della linea elettrica negli Stati Uniti è di 60 Hz [11]. L'errore percentuale è 3,08%.