ECG automatizado: simulaciones de amplificación y filtro con LTspice: 5 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

Esta es la imagen del dispositivo final que estará construyendo y una discusión muy profunda sobre cada parte. También describe los cálculos para cada etapa.

La imagen muestra el diagrama de bloques de este dispositivo.

Métodos y materiales:

El objetivo de este proyecto fue desarrollar un dispositivo de adquisición de señales para caracterizar una señal biológica específica / recopilar datos relevantes sobre la señal. Más específicamente, un ECG automatizado. El diagrama de bloques que se muestra en la Figura 3 destaca el esquema propuesto para el dispositivo. El dispositivo recibiría la señal biológica a través de un electrodo y luego la amplificaría usando un amplificador con una ganancia de 1000. Esta amplificación es necesaria ya que la señal biológica será menor a aproximadamente 5 mV, lo cual es muy pequeño y puede ser difícil de interpretar [5]. Posteriormente, el ruido se reduciría utilizando un filtro de paso de banda para obtener el rango de frecuencia deseado para la señal, 0.5-150 Hz, y luego seguiría una muesca para eliminar el ruido ambiental normal causado por las líneas eléctricas que se encuentran alrededor de 50-60 Hz. [11]. Por último, la señal debe convertirse a digital para que se pueda interpretar utilizando una computadora y esto se hace con un convertidor de analógico a digital. Sin embargo, en este estudio, la atención se centrará principalmente en el amplificador, el filtro de paso de banda y el filtro de muesca.

El amplificador, el filtro de paso de banda y el filtro de muesca se diseñaron y simularon utilizando LTSpice. Cada sección se desarrolló primero por separado y se probó para asegurarse de que funcionaba correctamente y luego se concatenó en un esquema final. El amplificador, que se puede ver en la figura 4, fue diseñado y basado en un amplificador instrumental. Un amplificador de instrumentación se usa comúnmente en ECG, monitores de temperatura e incluso detectores de terremotos porque puede amplificar un nivel muy bajo de señal mientras rechaza el exceso de ruido. También es muy fácil de modificar para ajustar la ganancia que se necesite [6]. La ganancia deseada para el circuito es 1000 y se seleccionó ya que la entrada del electrodo será una señal de CA menor a 5 mV [5] y necesita ser amplificada para facilitar la interpretación de los datos. Para obtener una ganancia de 1000, se utilizó la ecuación (1) GANANCIA = (1+ (R2 + R4) / R1) (R6 / R3) que, por lo tanto, arrojó GANANCIA = (1+ (5000Ω + 5000Ω) /101.01Ω) (1000Ω / 100Ω) = 1000. Para confirmar que se logró la cantidad correcta de amplificación, se realizó una prueba transitoria usando LTspice.

La segunda etapa fue un filtro de paso de banda. Este filtro se puede ver en la Figura 5 y consiste en un filtro de paso bajo y luego un filtro de paso alto con un amplificador operacional en el medio para evitar que los filtros se cancelen entre sí. El propósito de esta etapa es producir un rango de frecuencias establecido que será aceptable para pasar a través del dispositivo. El rango deseado para este dispositivo es 0.5 - 150 Hz ya que este es el rango estándar para ECG [6]. Para lograr este rango objetivo, se utilizó la ecuación (2) frecuencia de corte = 1 / (2πRC) para determinar la frecuencia de corte para el filtro de paso alto y paso bajo dentro del paso de banda. Dado que el extremo inferior del rango tenía que ser 0,5 Hz, los valores de la resistencia del filtro de paso alto y el condensador se calcularon en 0,5 Hz = 1 / (2π * 1000Ω * 318,83 µF) y con el extremo superior necesitando ser 150 Hz, el valor bajo Los valores del condensador y la resistencia del filtro de paso se calcularon en 150 Hz = 1 / (2π * 1000Ω * 1.061µF). Para confirmar que se logró el rango de frecuencia correcto, se ejecutó un barrido de CA utilizando LTspice.

La tercera y última etapa simulada es el filtro de muesca y se puede ver en la Figura 6. El filtro de muesca sirve como un medio para eliminar el ruido no deseado que se produce en el medio del rango de frecuencia deseado creado por el paso de banda. La frecuencia objetivo en este caso es 60 Hz, ya que es la frecuencia estándar de la línea eléctrica en los Estados Unidos y causa interferencia si no se trata [7]. El filtro de muesca seleccionado para manejar esta interferencia fue un filtro de muesca doble con dos amplificadores operacionales y un divisor de voltaje. Esto permitirá que la señal no solo filtre la señal directamente en la frecuencia objetivo, sino que también introduzca una retroalimentación variable en el sistema, un factor de calidad Q ajustable y una salida variable gracias al divisor de voltaje y, por lo tanto, lo convirtió en un filtro activo en lugar de un pasivo [8]. Sin embargo, estos factores adicionales no se tocaron en su mayoría en las pruebas iniciales, pero se abordarán en trabajos futuros y cómo mejorar el proyecto más adelante. Para determinar el centro de la frecuencia de rechazo, ecuación (3) frecuencia de rechazo central = 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 se empleó. Para confirmar que se logró la frecuencia de rechazo correcta, se ejecutó un barrido de CA utilizando LTspice.

Finalmente, después de probar cada etapa por separado, las tres etapas se combinaron como se ve en la Figura 7. También debe tenerse en cuenta que todos los amplificadores operacionales se suministraron con una fuente de alimentación de + 15 V y -15 V CC para permitir una amplificación sustancial. que ocurra cuando sea necesario. Luego, se realizaron tanto una prueba de transitorios como un barrido de CA en el circuito completo.

Resultados:

Los gráficos para cada etapa se pueden encontrar directamente debajo de su etapa respectiva en la sección de Figuras en el apéndice. Para la primera etapa, el amplificador instrumentacional, se ejecutó una prueba transitoria en el circuito para verificar que la ganancia del amplificador fuera 1000. La prueba se desarrolló entre 1 y 1,25 segundos con un intervalo de tiempo máximo de 0,05. El voltaje suministrado era una onda sinusoidal de CA con una amplitud de 0,005 V y una frecuencia de 50 Hz. La ganancia prevista era 1000 y, como se ve en la Figura 4, dado que Vout (la curva verde) tenía una amplitud de 5V. Se calculó que la ganancia simulada era ganancia = Vout / Vin = 5V / 0.005V = 1000. Por lo tanto, el error porcentual para esta etapa es 0%. Se seleccionó 0,005 V como la entrada para esta sección, ya que se relacionará estrechamente con la entrada recibida de un electrodo como se menciona en la sección de métodos.

La segunda etapa, el filtro de paso de banda, tenía un rango objetivo de 0,5 a 150 Hz. Para probar el filtro y asegurarse de que el rango coincidiera, durante una década, se ejecutó un barrido de CA con 100 puntos por década desde 0.01 - 1000 Hz. La Figura 5 muestra los resultados del barrido de CA y confirma que se logró un rango de frecuencia de 0.5 a 150 Hz porque el máximo menos 3 dB da la frecuencia de corte. Este método se ilustra en el gráfico.

La tercera etapa, el filtro de muesca, fue diseñada para eliminar el ruido que se encuentra alrededor de los 60 Hz. El centro de frecuencia de rechazo calculado fue ~ 56 Hz. Para confirmar esto, una década, se ejecutó un barrido de CA con 100 puntos por década desde 0.01 - 1000 Hz. La Figura 6 muestra los resultados del barrido de CA e ilustra un centro de frecuencia de rechazo ~ 56-59 Hz. El porcentaje de error para esta sección sería del 4,16%.

Después de confirmar que cada etapa individual estaba funcionando, las tres etapas se ensamblaron como se ve en la Figura 7. Luego se ejecutó una prueba transitoria para verificar la amplificación del circuito y la prueba corrió de 1 a 1.25 segundos con un intervalo de tiempo máximo de 0.05 con un tensión de alimentación de una onda sinusoidal de CA con una amplitud de 0,005 V y una frecuencia de 50 Hz. El gráfico resultante es el primer gráfico en la Figura 7 que muestra Vout3 (rojo), la salida de todo el circuito, siendo 3.865 V y, por lo tanto, la ganancia es = 3.865V / 0.005V = 773. Esto es significativamente diferente a la ganancia prevista de 1000 y da un error del 22,7%. Después de la prueba transitoria, una década, el barrido de CA se ejecutó con 100 puntos por década desde 0.01 - 1000 Hz y produjo el segundo gráfico en la Figura 7. Este gráfico resalta los resultados previstos y muestra los filtros trabajando en conjunto para producir un filtro que acepta frecuencias de 0,5 a 150 Hz con un centro de rechazo de 57,5 a 58,8 Hz.

Ecuaciones:

(1) - ganancia del amplificador de instrumentación [6], resistencias relativas a las que se encuentran en la Figura 4.

(2) - frecuencia de corte para un filtro de paso bajo / alto

(3) - para el filtro de muesca doble t [8], resistencias relativas a las que se encuentran en la Figura 6.

Paso 1: Amplificador instrumental

Etapa 1: el amplificador instrumental

ecuación - GANANCIA = (1+ (R2 + R4) / R1) (R6 / R3)

Paso 2: paso de banda

etapa 2: filtro de paso de banda

ecuación: frecuencia de corte = 1 / 2πRC

Paso 3: Etapa 3: Filtro de muesca

etapa 3: filtro Twin T Notch

ecuación - frecuencia de rechazo central = 1 / 2π √ (1 / (C_2 C_3 R_5 (R_3 + R_4)))

Paso 4: esquema final de todas las etapas juntas

Esquema final con barrido de CA y curvas transitorias

Paso 5: Discusión del dispositivo

Discusión:

El resultado de las pruebas realizadas anteriormente fue el esperado para el circuito en su conjunto. Aunque la amplificación no fue perfecta y la señal se degradó ligeramente a medida que avanzaba por el circuito (que se puede ver en la Figura 7, gráfico 1 donde la señal aumentó de 0.005V a 5V después de la primera etapa y luego disminuyó a 4V después de la segunda y luego 3.865V después de la etapa final), el filtro de paso de banda y de muesca funcionó como se esperaba y produjo un rango de frecuencia de 0.5-150 Hz con una eliminación de frecuencia de aproximadamente 57.5-58.8 Hz.

Después de establecer los parámetros de mi circuito, lo comparé con otros dos ECG. En la Tabla 1 se puede encontrar una comparación más directa con solo números. Hubo tres conclusiones principales al comparar mis datos con otras fuentes de literatura. La primera fue que la amplificación en mi circuito era significativamente menor que la de los otros dos que también estaba comparando. Los circuitos de ambas fuentes de la literatura lograron una amplificación de 1000 y en el ECG de Gawali [9], la señal se amplificó aún más en un factor de 147 en la etapa de filtrado. Por lo tanto, aunque la señal en mi circuito fue amplificada por 773 (error del 22.7% cuando se compara con la amplificación estándar) y se consideró suficiente para poder interpretar la señal de entrada del electrodo [6], aún queda pequeña en comparación con la amplificación estándar. 1000. Si se lograra la amplificación estándar en mi circuito, la amplificación en el amplificador instrumentacional tendría que incrementarse a un factor mayor que 1000 para que cuando la ganancia se reduzca después de pasar por cada una de las etapas del filtro en mi circuito, todavía tiene una ganancia de al menos 1000 o los filtros deben ajustarse para evitar que se produzcan niveles de caída de voltaje más altos.

La segunda conclusión importante fue que los tres circuitos tenían rangos de frecuencia muy similares. Gawali [9] tenía exactamente el mismo rango de 0.5-150 Hz mientras que Goa [10] tenía un rango ligeramente más amplio de 0.05-159 Hz. El circuito de Goa tenía esta ligera discrepancia porque ese rango se adaptaba mejor a la tarjeta de adquisición de datos que se estaba utilizando en su configuración.

La última conclusión importante fueron las diferencias en el centro de frecuencias de rechazo logradas por los filtros de muesca en cada circuito. El circuito de Gao y el mío tenían un objetivo de 60 Hz para suprimir el ruido de la frecuencia de línea que causaba las líneas eléctricas, mientras que el de Gawali estaba configurado en 50 Hz. Sin embargo, esta discrepancia está bien, ya que dependiendo de la ubicación en el mundo, la frecuencia de la línea eléctrica puede ser de 50 o 60 Hz. Por lo tanto, se hizo una comparación directa solo con el circuito de Goa, ya que la interferencia de la línea eléctrica en los Estados Unidos es de 60 Hz [11]. El porcentaje de error es 3,08%.