ECG automatizado: Simulações de amplificação e filtro usando LTspice: 5 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:34

Esta é a imagem do dispositivo final que você construirá e uma discussão muito aprofundada sobre cada parte. Também descreve os cálculos para cada etapa.

A imagem mostra o diagrama de blocos para este dispositivo

Métodos e materiais:

O objetivo deste projeto foi desenvolver um dispositivo de aquisição de sinal a fim de caracterizar um sinal biológico específico / coletar dados relevantes sobre o sinal. Mais especificamente, um ECG automatizado. O diagrama de blocos mostrado na Figura 3 destaca o esquema proposto para o dispositivo. O dispositivo iria receber o sinal biológico através de um eletrodo e então amplificá-lo usando um amplificador com um ganho de 1000. Esta amplificação é necessária uma vez que o sinal biológico será menor em cerca de 5mV que é muito pequeno e pode ser difícil de interpretar [5]. Posteriormente, o ruído seria reduzido usando um filtro passa-banda a fim de obter a faixa de frequência desejada para o sinal, 0,5-150 Hz, e então um entalhe seguiria para remover o ruído ambiente normal causado por linhas de força encontradas em torno de 50-60 Hz [11]. Por último, o sinal precisa ser convertido em digital para que possa ser interpretado por um computador e isso é feito com um conversor analógico para digital. Neste estudo, no entanto, o foco será principalmente no amplificador, filtro passa-banda e filtro notch.

O amplificador, filtro passa-banda e filtro notch foram todos projetados e simulados usando LTSpice. Cada seção foi primeiro desenvolvida separadamente e testada para garantir que funcionasse corretamente e, em seguida, concatenada em um esquema final. O amplificador, que pode ser visto na figura 4, foi projetado e baseado em um amplificador instrumentacional. Um amplificador de instrumentação é comumente usado em ECGs, monitores de temperatura e até detectores de terremoto porque pode amplificar um nível de sinal muito baixo, rejeitando o excesso de ruído. Também é muito fácil de modificar para ajustar o ganho que for necessário [6]. O ganho desejado para o circuito é 1000 e este foi selecionado uma vez que a entrada do eletrodo será um sinal AC menor que 5 mV [5] e precisa ser amplificado para tornar os dados mais fáceis de interpretar. A fim de obter um ganho de 1000, a equação (1) GAIN = (1+ (R2 + R4) / R1) (R6 / R3) foi usada que, portanto, rendeu GAIN = (1+ (5000Ω + 5000Ω) /101,01Ω) (1000Ω / 100Ω) = 1000. A fim de confirmar se a quantidade correta de amplificação foi alcançada, um teste transiente foi conduzido usando LTspice.

O segundo estágio foi um filtro passa-banda. Esse filtro pode ser visto na Figura 5 e consiste em um filtro passa-baixo e um filtro passa-alto com um amplificador operacional entre eles para evitar que os filtros se cancelem. O objetivo deste estágio é produzir uma faixa definida de frequências que será aceitável para passar pelo dispositivo. A faixa desejada para este dispositivo é 0,5 - 150 Hz, uma vez que esta é a faixa padrão para ECG [6]. Para atingir essa faixa alvo, a equação (2) frequência de corte = 1 / (2πRC) foi usada para determinar a frequência de corte para o filtro passa-alto e passa-baixo dentro do passa-banda. Uma vez que a extremidade inferior da faixa precisava ser 0,5 Hz, os valores do resistor do filtro passa-alta e do capacitor foram calculados em 0,5 Hz = 1 / (2π * 1000Ω * 318,83µF) e com a extremidade superior precisando ser 150 Hz, a baixa os valores do resistor do filtro de passagem e do capacitor foram calculados em 150 Hz = 1 / (2π * 1000Ω * 1,061 µF). Para confirmar que a faixa de frequência correta foi alcançada, uma varredura CA foi executada usando LTspice.

O terceiro e último estágio simulado é o filtro de entalhe e pode ser visto na Figura 6. O filtro de entalhe serve como um meio para eliminar o ruído indesejado que ocorre no meio da faixa de frequência desejada criada pelo passa-banda. A frequência alvo, neste caso, é 60 Hz, uma vez que é a frequência padrão da rede elétrica nos Estados Unidos e causa interferência se não for tratada [7]. O filtro de entalhe selecionado para lidar com essa interferência foi um filtro de entalhe duplo com dois amplificadores operacionais e um divisor de tensão. Isso permitirá que o sinal não apenas filtre o sinal diretamente na frequência alvo, mas também introduza um feedback variável no sistema, um fator de qualidade ajustável Q e saída variável graças ao divisor de tensão e, portanto, tornou este um filtro ativo em vez de um passivo [8]. Esses fatores extras, no entanto, foram praticamente deixados intocados nos testes iniciais, mas serão abordados em trabalhos futuros e como melhorar o projeto mais tarde. A fim de determinar o centro da frequência de rejeição, equação (3) frequência de rejeição central = 1 / (2π) * √ (1 / (C2 * C3 * R5 * (R3 + R4))) = 1 / (2π) * √ (1 / [(0,1 * 10 ^ -6 µF) * (0,1 * 10 ^ -6 µF) (15000Ω) * (26525Ω + 26525Ω)]) = 56,420 Hz foi empregado. Para confirmar que a frequência de rejeição correta foi alcançada, uma varredura AC foi executada usando LTspice.

Finalmente, depois que cada estágio foi testado separadamente, os três estágios foram combinados como visto na Figura 7. Também deve ser notado que todos os amplificadores operacionais foram fornecidos com uma fonte de alimentação de + 15V e -15V DC para permitir uma amplificação substancial para ocorrer quando necessário. Em seguida, um teste transiente e uma varredura AC foram realizados no circuito concluído.

Resultados:

Os gráficos de cada estágio podem ser encontrados diretamente em seu respectivo estágio na seção Figura no apêndice. Para o primeiro estágio, o amplificador instrumentacional, um teste transiente foi executado no circuito para verificar se o ganho do amplificador era 1000. O teste foi de 1 a 1,25 segundos com um intervalo de tempo máximo de 0,05. A tensão fornecida foi uma onda sinusoidal AC com amplitude de 0,005 V e frequência de 50 Hz. O ganho pretendido era de 1000 e como visto na Figura 4, o visto que o Vout (a curva verde) tinha uma amplitude de 5V. O ganho simulado foi calculado como ganho = Vout / Vin = 5V / 0,005V = 1000. Portanto, o erro percentual para este estágio é 0%. 0,005 V foi selecionado como a entrada para esta seção, pois estará intimamente relacionado à entrada recebida de um eletrodo, conforme mencionado na seção de métodos.

O segundo estágio, o filtro passa-banda, tinha uma faixa alvo de 0,5 - 150 Hz. Para testar o filtro e certificar-se de que a faixa é compatível, uma década, a varredura CA foi executada com 100 pontos por década de 0,01 a 1000 Hz. A Figura 5 mostra os resultados da varredura CA e confirma que uma faixa de frequência de 0,5 a 150 Hz foi alcançada porque o máximo menos 3 dB fornece a frequência de corte. Este método é ilustrado no gráfico.

O terceiro estágio, filtro notch, foi projetado para eliminar o ruído encontrado em torno de 60 Hz. O centro calculado de frequência de rejeição foi de ~ 56 Hz. Para confirmar isso, uma década, a varredura AC foi executada com 100 pontos por década de 0,01 a 1000 Hz. A Figura 6 mostra os resultados da varredura AC e ilustra um centro de frequência de rejeição ~ 56-59 Hz. O erro percentual para esta seção seria de 4,16%.

Depois de confirmar que cada estágio individual estava funcionando, os três estágios foram então montados como visto na Figura 7. Em seguida, um teste transiente foi executado para verificar a amplificação do circuito e o teste correu de 1 a 1,25 segundos com um intervalo de tempo máximo de 0,05 com um tensão fornecida de uma onda sinusoidal CA com uma amplitude de 0,005 V e uma frequência de 50 Hz. O gráfico resultante é o primeiro gráfico na Figura 7 mostra Vout3 (vermelho), a saída de todo o circuito, sendo 3,865 V e, portanto, fazendo o ganho = 3,865V / 0,005V = 773. Isso é significativamente diferente do ganho pretendido de 1000 e dá um erro de 22,7%. Após o teste transiente, uma década, a varredura AC foi executada com 100 pontos por década de 0,01 - 1000 Hz e produziu o segundo gráfico na Figura 7. Este gráfico destaca os resultados pretendidos e mostra os filtros trabalhando em conjunto para produzir um filtro que aceita frequências de 0,5-150 Hz com um centro de rejeição de 57,5-58,8 Hz.

Equações:

(1) - ganho do amplificador de instrumentação [6], resistores relativos aos encontrados na Figura 4.

(2) - frequência de corte para um filtro passa-baixa / alta

(3) - para filtro de entalhe duplo t [8], resistores em relação aos encontrados na Figura 6.

Etapa 1: amplificador instrumentacional

Estágio 1: o amplificador instrumentacional

equação - GANHO = (1+ (R2 + R4) / R1) (R6 / R3)

Etapa 2: Bandpass

estágio 2: filtro passa-banda

equação: frequência de corte = 1 / 2πRC

Etapa 3: Estágio 3: Filtro de entalhe

estágio 3: filtro Twin T Notch

equação - frequência de rejeição central = 1 / 2π √ (1 / (C_2 C_3 R_5 (R_3 + R_4)))

Etapa 4: esquemático final de todas as fases juntas

Esquema final com varredura ac e curvas transientes

Etapa 5: Discussão do dispositivo

Discussão:

O resultado dos testes realizados acima foi o esperado para o circuito como um todo. Embora a amplificação não fosse perfeita e o sinal se degradasse ligeiramente à medida que avançava no circuito (o que pode ser visto na Figura 7, gráfico 1, onde o sinal aumentou de 0,005 V para 5 V após o primeiro estágio e, em seguida, diminuiu para 4 V após o segundo e então 3,865 V após o estágio final), o bandpass e o filtro notch funcionaram como pretendido e produziram uma faixa de frequência de 0,5-150 Hz com uma remoção de frequência de cerca de 57,5-58,8 Hz.

Depois de estabelecer os parâmetros do meu circuito, comparei-o a dois outros ECGs. Uma comparação mais direta com apenas números pode ser encontrada na Tabela 1. Houve três conclusões principais ao comparar meus dados com outras fontes da literatura. O primeiro era que a amplificação em meu circuito era significativamente menor do que os outros dois que eu estava comparando também. Ambos os circuitos das fontes da literatura alcançaram uma amplificação de 1000 e no ECG de Gawali [9], o sinal foi ainda mais amplificado por um fator de 147 no estágio do filtro. Portanto, embora o sinal em meu circuito tenha sido amplificado em 773 (erro de 22,7% quando comparado à amplificação padrão) e considerado suficiente para ser capaz de interpretar o sinal de entrada do eletrodo [6], ele ainda diminuiu em comparação com a amplificação padrão. 1000. Se a amplificação padrão fosse alcançada em meu circuito, a amplificação no amplificador instrumentacional precisaria ser aumentada para um fator maior que 1000 para que quando o ganho fosse reduzido após passar por cada um dos estágios do filtro em meu circuito, ele ainda tem um ganho de pelo menos 1000 ou os filtros precisam ser ajustados para evitar a ocorrência de níveis mais elevados de queda de tensão.

A segunda lição importante foi que todos os três circuitos tinham faixas de frequência muito semelhantes. Gawali's [9] teve exatamente a mesma faixa de 0,5-150 Hz, enquanto Goa [10] teve uma faixa ligeiramente mais ampla de 0,05-159 Hz. O circuito de Goa tinha esta ligeira discrepância porque esse intervalo se adequava melhor à placa de aquisição de dados que estava sendo usada em sua configuração.

A última lição importante foram as diferenças no centro das frequências de rejeição alcançadas pelos filtros de entalhe em cada circuito. O circuito de Gao e meu tinham uma meta de 60 Hz a fim de suprimir o ruído de frequência de linha causado pelas linhas de energia, enquanto o de Gawali estava definido para 50 Hz. No entanto, essa discrepância é boa, pois, dependendo da localização no mundo, a frequência da linha de energia pode ser 50 ou 60 Hz. Portanto, uma comparação direta foi feita apenas para o circuito de Goa, uma vez que a interferência da linha de energia nos Estados Unidos é de 60 Hz [11]. O erro percentual é de 3,08%.