بدست آوردن ، تقویت و فیلتر کردن مدار الکتروکاردیوگرام اولیه: 6 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:51

برای تکمیل این دستورالعمل ، تنها چیزهایی که نیاز دارید کامپیوتر ، دسترسی به اینترنت و برخی نرم افزارهای شبیه سازی است. برای اهداف این طرح ، تمام مدارها و شبیه سازی ها روی LTspice XVII اجرا می شوند. این نرم افزار شبیه سازی شامل کتابخانه های بیش از 1،000 جزء است که ایجاد مدارها را بسیار آسان می کند. از آنجا که این مدارها تعمیم داده می شوند ، "UniversalOpAmp2" برای هر موردی که به op-amp نیاز است استفاده می شود. علاوه بر این ، هر op -amp از منبع تغذیه +15V و -15V تغذیه می کرد. این منابع تغذیه نه تنها به op-amp نیرو می دهند بلکه ولتاژ خروجی را نیز در صورت رسیدن به هر یک از آن دو افراطی قطع می کنند.

مرحله 1: طراحی تقویت کننده ابزار دقیق

پس از به دست آوردن سیگنال ، باید محاسبات و فیلتر کردن روی آن را تقویت کرد. برای نوار قلب ، رایج ترین روش تقویت ، تقویت کننده ابزار است. همانطور که گفته شد ، تقویت کننده ابزار هنگام استفاده از مدارهای تقویت کننده دارای مزایای زیادی است ، بزرگترین آن امپدانس بالا بین ولتاژهای ورودی است. برای ساخت این مدار ، از 3 آمپر آمپر در ارتباط با هفت مقاومت استفاده شد که شش مقاومت آنها از نظر اندازه معادل آن بودند. افزایش بیشتر الکتروکاردیوگرام ها حدود 1000 برابر سیگنال ورودی است [1]. معادله برای افزایش تقویت کننده ابزار به شرح زیر است: افزایش = 1 + (2 * R1/R2) * (R7/R6). برای سادگی ، هر مقاومت 1000 اهم فرض شد ، به جز R2 ، که 2 اهم تعیین شد. این مقادیر 1001 برابر بیشتر از ولتاژ ورودی سود می دهند. این افزایش برای تقویت سیگنالهای بدست آمده برای تجزیه و تحلیل بیشتر کافی است. با این حال ، با استفاده از معادله ، سود می تواند هر چیزی باشد که فرد برای طراحی مدار خود می خواهد.

مرحله 2: طراحی فیلتر Band Pass

فیلتر باند یک فیلتر با گذر بالا و یک فیلتر پایین گذر است که معمولاً در هماهنگی با یک op-amp کار می کند تا چیزی را که به عنوان یک باند گذر معروف است ارائه دهد. یک باند عبور محدوده ای از فرکانس ها است که می تواند عبور کند در حالی که همه بقیه بالا و پایین رد می شوند. استانداردهای صنعت بیان می کنند که الکتروکاردیوگرام استاندارد باید دارای باند عبور از 0.5 هرتز تا 150 هرتز باشد [2]. این گذرگاه بزرگ تضمین می کند که تمام سیگنال الکتریکی از قلب ضبط شده و هیچ یک از آن فیلتر نمی شود. به همین ترتیب ، این گذرگاه هرگونه افست DC را که می تواند با سیگنال تداخل داشته باشد ، رد می کند. برای طراحی این ، مقاومت ها و خازن های خاصی باید به گونه ای انتخاب شوند که فرکانس قطع بالای عبور 0.5 هرتز و فرکانس قطع پایین گذر 150 هرتز باشد. معادله فرکانس قطع برای هر دو فیلتر گذر بالا و پایین گذر به شرح زیر است: Fc = 1/(2*pi*RC). برای محاسبات من ، یک مقاومت دلخواه انتخاب شد ، سپس با استفاده از رابطه 4 ، مقدار خازن محاسبه شد. بنابراین ، فیلتر با گذر بالا دارای مقدار مقاومت 100 ، 000 اهم و مقدار خازن 3.1831 میکرو فاراد خواهد بود. به همین ترتیب ، فیلتر کم گذر دارای مقاومت 10000 اهم و مقدار خازن 10.61 نانو فاراد خواهد بود. نمودار فیلتر باند با مقادیر تنظیم شده نشان داده شده است.

مرحله 3: طراحی فیلتر ناچ

یک فیلتر ناچ در اصل مخالف فیلتر باند باند است. به جای گذرگاه بالا و گذرگاه پایین ، گذرگاه پایین است و گذرگاه بالا ، بنابراین در اصل می توان یک نوار کوچک صدا را حذف کرد. برای فیلتر ناچ الکتروکاردیوگرام ، از طرح فیلتر بریدگی Twin-T استفاده شد. این طراحی امکان فیلتر کردن فرکانس مرکز را فراهم می کند و ضریب کیفیت زیادی را ارائه می دهد. در این مورد ، فرکانس مرکزی برای خلاص شدن از شرط 60 هرتز بود. با استفاده از رابطه 4 ، مقادیر مقاومت با استفاده از مقدار خازن معادل 0.1 میکرو فاراد محاسبه شد. مقادیر مقاومت محاسبه شده برای یک باند توقف 60 هرتز 26 ، 525 اهم بود. سپس R5 ½ R3 و R4 محاسبه شد. C3 نیز دو برابر مقدار انتخاب شده برای C1 و C2 محاسبه شد [3]. مقاومتهای دلخواه برای R1 و R2 انتخاب شدند.

مرحله 4: مدار ترکیبی

با استفاده از توری ، این اجزا به صورت سری در کنار هم قرار گرفتند و تصویر مدار تکمیل شده به تصویر کشیده شده است. طبق مقاله ای که توسط Springer Science منتشر شده است ، زمانی که کل مدار راه اندازی می شود ، سود قابل قبول مدار نوار قلب باید در حدود 70 دسی بل باشد [4].

مرحله 5: آزمایش کل مدار

وقتی همه اجزا در یک سری قرار گرفتند ، اعتبار طرح مورد نیاز بود. با آزمایش این مدار ، یک رفت و برگشت گذرا و AC برای تعیین اینکه آیا همه اجزا به طور هماهنگ کار می کنند یا خیر انجام شد. اگر اینطور بود ، ولتاژ خروجی گذرا همچنان حدود 1000 برابر ولتاژ ورودی خواهد بود. به همین ترتیب ، هنگامی که رفت و برگشت AC انجام شد ، یک طرح فیلتر باند گذر با درجه یک در 60 هرتز انتظار می رود. با مشاهده تصاویر موجود ، این مدار توانست هر دو هدف را با موفقیت به انجام برساند. آزمایش دیگر مشاهده کارایی فیلتر ناچ بود. برای آزمایش این ، یک سیگنال 60 هرتز از مدار عبور کرد. همانطور که در تصویر نشان داده شده است ، اندازه این خروجی فقط 5 برابر بیشتر از ورودی بود ، در حالی که این میزان برابر با 1000 برابر زمانی است که فرکانس درون محدوده عبور است.

مرحله 6: منابع:

[1] "ECG Measurement System" ، Columbia.edu ، 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG٪20Report/E6001٪20ECG٪20final٪20report.htm (دسترسی به دسامبر 01 ، 2020).

[2] L. G. Tereshchenko and M. E. Josephson، "Frequency Content and Characteristics of Conductular Conduction" ، Journal of electrocardiology، vol. 48 ، نه 6 ، صص 933–937 ، 2015 ، doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] "فیلترهای توقف باند فیلترهای رد نامیده می شوند" ، آموزش الکترونیکی پایه ، 22 مه 2018.

[4] N. Guler و U. Fidan ، "Wireless انتقال سیگنال ECG ،" Springer Science ، vol. 30 ، آوریل 2005 ، doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.