ძირითადი ელექტროკარდიოგრამის შეძენის, გაძლიერების და ფილტრაციის სქემის დიზაინი: 6 ნაბიჯი

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:15

იმისათვის, რომ ეს ინსტრუქცია დასრულდეს, საჭიროა მხოლოდ კომპიუტერი, ინტერნეტი და სიმულაციური პროგრამული უზრუნველყოფა. ამ დიზაინის მიზნებისათვის, ყველა სქემა და სიმულაცია გაშვებული იქნება LTspice XVII– ზე. ეს სიმულაციური პროგრამული უზრუნველყოფა შეიცავს ბიბლიოთეკას 1000 -ზე მეტი კომპონენტისგან, რაც სქემების შექმნას ძალიან აადვილებს. იმის გამო, რომ ეს სქემები განზოგადდება, "UniversalOpAmp2" გამოყენებული იქნება ყველა იმ შემთხვევისთვის, სადაც საჭიროა op-amp. გარდა ამისა, თითოეული op -amp იკვებებოდა +15V და -15V კვების ბლოკით. ეს დენის წყაროები არა მხოლოდ ამძაფრებს ოპ-გამაძლიერებელს, არამედ ამცირებს გამომავალ ძაბვას, თუკი ის მიაღწევს ამ ორივე ექსტრემას.

ნაბიჯი 1: ინსტრუმენტების გამაძლიერებლის დიზაინი

სიგნალის მოპოვების შემდეგ, საჭიროა მისი გაძლიერება გამოთვლებისა და მასზე გაფილტვრის მიზნით. ელექტროკარდიოგრაფიისთვის, გაძლიერების ყველაზე გავრცელებული მეთოდია ინსტრუმენტული გამაძლიერებელი. როგორც უკვე აღვნიშნეთ, ინსტრუმენტის გამაძლიერებელს აქვს ბევრი უპირატესობა, როდესაც საქმე გამაძლიერებელ სქემებს ეხება, ყველაზე დიდი არის მაღალი წინაღობა შეყვანის ძაბვებს შორის. ამ მიკროსქემის ასაშენებლად, 3 ოპ-ამპერი გამოიყენეს შვიდ რეზისტორთან ერთად, რომელთაგან ექვსი რეზისტორი ექვივალენტური სიდიდით იყო. ელექტროკარდიოგრამების უმეტესობის მომატება არის დაახლოებით 1000x შეყვანის სიგნალი [1]. ინსტრუმენტული გამაძლიერებლის მომატების განტოლება ასეთია: მოგება = 1 + (2 * R1/R2) * (R7/R6). სიმარტივისთვის, თითოეული რეზისტორი ითვლებოდა 1000 ohms, გარდა R2, რომელიც განისაზღვრა 2 ohms. ეს მნიშვნელობები იძლევა მოგებას 1001 -ჯერ მეტს, ვიდრე შეყვანის ძაბვა. ეს მოგება საკმარისია შემდგომი ანალიზისთვის შეძენილი სიგნალების გასაძლიერებლად. ამასთან, განტოლების გამოყენებით, მოგება შეიძლება იყოს ის, რაც ადამიანს სურს მათი სქემის დიზაინისთვის.

ნაბიჯი 2: Band Pass ფილტრის დიზაინი

ბენდის ფილტრი არის მაღალი გამავლობის ფილტრი და დაბალი გამავლობის ფილტრი, რომელიც მუშაობს კოორდინაციაში, როგორც წესი, op-amp– ით, რათა უზრუნველყოს ის, რაც ცნობილია როგორც გამტარი ზოლი. გამსვლელი ბარი არის სიხშირის დიაპაზონი, რომლის გავლაც შესაძლებელია, სანამ ყველა დანარჩენი, ზემოთ და ქვემოთ, უარყოფილია. ინდუსტრიის სტანდარტები აცხადებენ, რომ სტანდარტულ ელექტროკარდიოგრამას უნდა ჰქონდეს გასასვლელი ზოლი 0.5 Hz– დან 150 Hz– მდე [2]. ეს დიდი გასასვლელი უზრუნველყოფს, რომ გულიდან ყველა ელექტრული სიგნალი ჩაიწეროს და არცერთი არ იყოს გაფილტრული. ანალოგიურად, ეს გასასვლელი ზოლი უარყოფს ნებისმიერ DC ოფსეტს, რომელსაც შეუძლია ხელი შეუშალოს სიგნალს. ამის შესაქმნელად, კონკრეტული რეზისტორები და კონდენსატორები უნდა შეირჩეს ისე, რომ მაღალი გამავლობის სიხშირე იყოს 0.5 ჰც და დაბალი გავლის სიხშირე 150 ჰც. შეწყვეტის სიხშირის განტოლება როგორც მაღალი გავლის, ასევე დაბალი გავლის ფილტრისათვის არის შემდეგი: Fc = 1/(2*pi*RC). ჩემი გათვლებით, არჩეულ იქნა თვითნებური რეზისტორი, შემდეგ მე –4 განტოლების გამოყენებით გამოითვალა კონდენსატორის მნიშვნელობა. ამრიგად, მაღალი გამავლობის ფილტრს ექნება რეზისტორის მნიშვნელობა 100, 000 ოჰმ და კონდენსატორის მნიშვნელობა 3.1831 მიკროფარადი. ანალოგიურად, დაბალი გამავლობის ფილტრს ექნება რეზისტორის მნიშვნელობა 100, 000 ოჰმ და კონდენსატორის მნიშვნელობა 10.61 ნანო-ფარად. ნაჩვენებია bandpass ფილტრის დიაგრამა მორგებული მნიშვნელობებით.

ნაბიჯი 3: მაღალი დონის ფილტრის დიზაინი

მაღალი დონის ფილტრი არსებითად საპირისპიროა bandpass ფილტრისგან. იმის ნაცვლად, რომ მაღალი უღელტეხილი მოჰყვეს დაბალ უღელტეხილს, ეს არის დაბალი უღელტეხილი, რასაც მოყვება მაღალი უღელტეხილი, ამიტომ შეიძლება არსებითად აღმოიფხვრას ხმაურის ერთი მცირე ჯგუფი. ელექტროკარდიოგრამის მაღალი დონის ფილტრისთვის გამოყენებულია Twin-T დონის ფილტრის დიზაინი. ეს დიზაინი იძლევა ცენტრის სიხშირის გაფილტვრის საშუალებას და უზრუნველყოფს ხარისხის დიდ ფაქტორს. ამ შემთხვევაში, ცენტრის მოშორების სიხშირე იყო 60 ჰერცი. მე –4 განტოლების გამოყენებით, რეზისტორის მნიშვნელობები გამოითვლება მოცემული კონდენსატორის 0,1 მიკროფარდის მნიშვნელობის გამოყენებით. რეზისტორის გამოთვლილი მნიშვნელობები 60 Hz გაჩერების ზოლისთვის იყო 26, 525 ohms. შემდეგ R5 გამოითვლება R3 და R4 ½. C3 ასევე გამოითვლება C1 და C2- ისთვის არჩეული მნიშვნელობის ორმაგად [3]. R1 და R2– ისთვის არჩეულ იქნა თვითნებური რეზისტორები.

ნაბიჯი 4: კომბინირებული წრე

ბადეების გამოყენებით, ეს კომპონენტები მოთავსებულია სერიაში ერთად და გამოსახულია დასრულებული წრის სურათი. Springer Science– ის მიერ გამოქვეყნებული ნაშრომის თანახმად, ეკგ – ს მიკროსქემის მისაღები მოგება უნდა იყოს დაახლოებით 70 დბ, როდესაც მთლიანი წრე შეიქმნება [4].

ნაბიჯი 5: მთელი წრის შემოწმება

როდესაც ყველა კომპონენტი განთავსდა სერიაში, საჭირო იყო დიზაინის დადასტურება. ამ მიკროსქემის შესამოწმებლად ჩატარდა როგორც გარდამავალი ასევე AC გაწმენდა იმის დასადგენად, მუშაობდა თუ არა ყველა კომპონენტი უნისონში. ეს რომ ასე ყოფილიყო, გარდამავალი გამომავალი ძაბვა მაინც იქნებოდა დაახლოებით 1000x შეყვანის ძაბვა. ანალოგიურად, როდესაც AC გაწმენდა ჩატარდა, მოსალოდნელია ზოლებიანი გამტარი ფილტრი, რომლის დონეა 60 ჰც. სურათების სურათების დათვალიერებისას ამ წრემ შეძლო ორივე მიზნის წარმატებით განხორციელება. კიდევ ერთი ტესტი იყო მაღალი დონის ფილტრის ეფექტურობის დანახვა. ამის შესამოწმებლად, 60 Hz სიგნალი გაიარა წრეში. როგორც სურათზეა, ამ გამომავალი სიდიდე მხოლოდ 5 ჯერ აღემატებოდა შეყვანისას, 1000x– სთან შედარებით, როდესაც სიხშირე გამტარ ზოლშია.

ნაბიჯი 6: რესურსები:

[1] “ეკგ გაზომვის სისტემა”, Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (წვდომა 01 დეკემბერს, 2020).

[2] L. G. Tereshchenko and M. E. Josephson, “Frequency Content and Characteristics of Ventricular Conduction”, Journal of electrocardiology, vol. 48, არა 6, გვ. 933–937, 2015, დოი: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] “Band Stop Filters are called Reject Filters”, Basic Electronics Tutorials, 22 მაისი, 2018.

[4] N. Guler and U. Fidan, "Wireless Transmission of ECG signal", Springer Science, vol. 30, აპრილი 2005, დოი: 10.1007/s10916-005-7980-5.