רכישת, הגברה וסינון מעגלים של אלקטרוקרדיוגרמה בסיסית: 6 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:11

על מנת להשלים את ההוראה, הדברים היחידים הדרושים הם מחשב, גישה לאינטרנט וכמה תוכנות סימולציה. לצורך עיצוב זה, כל המעגלים והסימולציות יופעלו ב- LTspice XVII. תוכנת סימולציה זו מכילה ספריות של יותר מ -1,000 רכיבים מה שהופך את יצירת מעגלים לקלה מאוד. מכיוון שמעגלים אלה יכללו, "UniversalOpAmp2" ישמש בכל מקרה שבו יש צורך במגבר אופטי. בנוסף, כל מגבר אופטי הופעל על ידי אספקת חשמל +15V ו -15V. ספקי כוח אלה לא רק מפעילים את מגבר ה- OP אלא גם מהדקים את מתח המוצא אם הוא יגיע לאחד משני הקיצוניים האלה.

שלב 1: עיצוב מגבר מכשור

לאחר שנרכש האות, יש להגביר אותו לצורך ביצוע חישובים וסינון עליו. עבור אלקטרוקרדיוגרמות, שיטת ההגברה הנפוצה ביותר היא מגבר המכשור. כאמור, למגבר המכשור יתרונות רבים בכל הנוגע למעגלי הגברה, הגדול ביותר הוא העכבה הגבוהה בין מתחי הכניסה. לבניית מעגל זה, נעשה שימוש בשלושה מגברים אופיים יחד עם שבעה נגדים, כאשר שישה מהנגדים היו שווים בעוצמתם. הרווח של רוב האלקטרוקרדיוגרמות הוא בסביבות 1000 פעמים אות הכניסה [1]. המשוואה לרווח של מגבר מכשור היא כדלקמן: רווח = 1 + (2 * R1/R2) * (R7/R6). לשם הפשטות, כל הנגד היה משוער להיות 1000 אוהם, למעט R2, שנקבע להיות 2 אוהם. ערכים אלה נותנים רווח גדול פי 1001 ממתח הכניסה. רווח זה מספיק כדי להעצים את האותות הנרכשים לצורך ניתוח נוסף. עם זאת, באמצעות המשוואה, הרווח יכול להיות כל מה שרוצים בעיצוב המעגל שלהם.

שלב 2: עיצוב מסנן פס פס

מסנן פס פס הוא מסנן מעבר גבוה ומסנן מעבר נמוך העובד בתיאום בדרך כלל עם מגבר אופטי כדי לספק מה שמכונה פס פס. פס פס הוא טווח של תדרים שיכולים לעבור בעוד שכל האחרים, מעל ומתחת, נדחים. תקני התעשייה קובעים כי אלקטרוקרדיוגרמה סטנדרטית חייבת להכיל פס פס בין 0.5 הרץ ל -150 הרץ [2]. פס המעבר הגדול הזה מבטיח שכל האות החשמלי מהלב יירשם ואף אחד ממנו לא יסנן החוצה. באופן דומה, פס פס זה דוחה כל קיזוז DC שיכול להפריע לאות. כדי לתכנן זאת, יש לבחור נגדים וקבלים ספציפיים כך שתדירות הפסקת המעבר הגבוהה תהיה 0.5 הרץ ותדירות החיתוך הנמוכה היא 150 הרץ. משוואת תדרי החיתוך הן למסנן הגבוה והן למסנן המעבר הנמוך היא כדלקמן: Fc = 1/(2*pi*RC). לחישובים שלי, נבחר נגד שרירותי, ולאחר מכן באמצעות משוואה 4, חושב ערך קבלים. לכן, למסנן המעבר הגבוה יהיה ערך הנגד של 100, 000 אוהם ושווי קבלים של 3.1831 מיקרופראד. באופן דומה, למסנן המעבר הנמוך יהיה ערך הנגד של 100, 000 אוהם ושווי קבלים של 10.61 ננו-פאראדים. מוצג תרשים של מסנן פס הפס עם הערכים המותאמים.

שלב 3: עיצוב מסנן חריצים

מסנן חריץ הוא בעצם ההיפך ממסנן פס פס. במקום שיהיה מעבר גבוה ואחריו מעבר נמוך, זהו מעבר נמוך ואחריו מעבר גבוה, ולכן אפשר בעצם לחסל רצועת רעש אחת קטנה. עבור מסנן החריץ של האלקטרוקרדיוגרמה, נעשה שימוש בעיצוב מסנן חריץ Twin-T. עיצוב זה מאפשר לסנן תדר מרכזי ומספק גורם איכותי גדול. במקרה זה, תדר המרכז להיפטר ממנו היה ב 60 הרץ. באמצעות משוואה 4, ערכי הנגד חושבו באמצעות ערך קבלים נתון של 0.1 מיקרופראדים. ערכי הנגד המחושבים עבור פס עצירה של 60 הרץ היו 26, 525 אוהם. אז R5 חושב להיות חצי מ- R3 ו- R4. C3 חושב גם ככפול מהערך שנבחר עבור C1 ו- C2 [3]. נגדים שרירותיים נבחרו עבור R1 ו- R2.

שלב 4: מעגל שילוב

באמצעות רשתות, רכיבים אלה הוצבו בסדרה יחד ותמונת המעגל שהושלם מופיעה בתמונה. על פי מאמר שפרסם ספרינגר מדע, רווח מקובל במעגל הא.ק.ג צריך להיות סביב 70 dB כאשר המעגל כולו מוגדר [4].

שלב 5: בדיקת המעגל כולו

כאשר כל הרכיבים הונחו בסדרה, היה צורך באימות העיצוב. בבדיקת מעגל זה נערכו גם טאטא חולף וגם AC כדי לקבוע אם כל הרכיבים עובדים יחד. אם זה היה המצב, מתח המוצא החולף עדיין יהיה בערך פי 1000 מתח הכניסה. באופן דומה, כאשר סריקת AC בוצעה, חלקה של מסנן פס-פס עתידה לצפות עם חריץ ב -60 הרץ. במבט על התמונות בתמונה, מעגל זה הצליח להשיג את שתי המטרות הללו בהצלחה. בדיקה נוספת הייתה לראות את היעילות של מסנן החריצים. כדי לבדוק זאת, אות 60 הרץ הועבר דרך המעגל. כפי שמוצג בתמונה, גודל הפלט הזה היה גדול פי 5 בלבד מהקלט, לעומת 1000x כאשר התדירות נמצאת בתוך פס המעבר.

שלב 6: משאבים:

[1] "מערכת מדידת א.ק.ג.", Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (גישה לדצמבר 01, 2020).

[2] L. G. Tereshchenko ו- M. E. Josephson, "תוכן תדרים ומאפיינים של הולכה חדרית", Journal of electrocardiology, כרך. 48, לא. 6, עמ '933–937, 2015, doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] "מסנני Band Stop נקראים דחיית מסננים", הדרכות בסיסיות לאלקטרוניקה, 22 במאי 2018.

[4] נ 'גולר ואו פידן, "שידור אלחוטי של אות אק"ג", ספרינגר מדע, כרך. 30, אפריל 2005, doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.