Temel Elektrokardiyogramın Alınması, Amplifikasyonu ve Filtreleme Devresi Tasarımı: 6 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:16

Bu talimatı tamamlamak için gereken tek şey bir bilgisayar, internet erişimi ve bazı simülasyon yazılımlarıdır. Bu tasarımın amaçları doğrultusunda tüm devreler ve simülasyonlar LTspice XVII üzerinde çalıştırılacaktır. Bu simülasyon yazılımı, devre oluşturmayı çok kolaylaştıran 1.000'den fazla bileşen kütüphanesi içerir. Bu devreler genelleştirileceğinden, bir op-amp'in gerekli olduğu her durumda “UniversalOpAmp2” kullanılacaktır. Ek olarak, her bir op-amp, +15V ve -15V güç kaynağı ile güçlendirildi. Bu güç kaynakları yalnızca op-amp'e güç sağlamakla kalmaz, aynı zamanda bu iki uçtan birine ulaşacaksa çıkış voltajını da keser.

Adım 1: Enstrümantasyon Amplifikatörü Tasarımı

Sinyal alındıktan sonra, üzerinde hesaplamalar ve filtreleme yapmak için amplifiye edilmesi gerekir. Elektrokardiyogramlar için en yaygın amplifikasyon yöntemi enstrümantasyon amplifikatörüdür. Daha önce de belirtildiği gibi, enstrümantasyon amplifikatörünün, amplifikasyon devreleri söz konusu olduğunda birçok avantajı vardır, en büyüğü giriş voltajları arasındaki yüksek empedanstır. Bu devreyi oluşturmak için, yedi dirençle birlikte 3 op-amp kullanıldı, dirençlerin altısı eşdeğer büyüklükteydi. Çoğu elektrokardiyogramın kazancı, giriş sinyalinin yaklaşık 1000 katıdır [1]. Bir enstrümantasyon amplifikatörünün kazancının denklemi aşağıdaki gibidir: Kazanç = 1 + (2*R1/R2) * (R7/R6). Basit olması için, 2 ohm olarak belirlenen R2 dışında her direncin 1000 ohm olduğu varsayılmıştır. Bu değerler, giriş voltajından 1001 kat daha büyük bir kazanç sağlar. Bu kazanç, daha fazla analiz için elde edilen sinyalleri yükseltmek için yeterlidir. Bununla birlikte, denklemi kullanarak, kazanç, devre tasarımı için ne isterse olabilir.

Adım 2: Bant Geçişli Filtre Tasarımı

Bir bant geçiren filtre, bir geçiş bandı olarak bilinen şeyi sağlamak için genellikle bir op-amp ile koordinasyon içinde çalışan bir yüksek geçiş filtresi ve bir alçak geçiş filtresidir. Geçiş bandı, yukarıdaki ve altındaki tüm diğerleri reddedilirken geçebilen bir frekans aralığıdır. Endüstri standartları, standart bir elektrokardiyogramın 0,5 Hz ila 150 Hz arasında bir geçiş bandına sahip olması gerektiğini belirtir [2]. Bu geniş geçiş bandı, kalpten gelen tüm elektrik sinyallerinin kaydedilmesini ve hiçbirinin filtrelenmemesini sağlar. Benzer şekilde, bu geçiş bandı, sinyale müdahale edebilecek herhangi bir DC kaymasını reddeder. Bunu tasarlamak için, yüksek geçiş kesme frekansı 0,5 Hz ve düşük geçiş kesme frekansı 150 Hz olacak şekilde özel dirençler ve kapasitörler seçilmelidir. Hem yüksek geçiş hem de düşük geçiş filtresi için kesim frekansı denklemi aşağıdaki gibidir: Fc = 1/(2*pi*RC). Hesaplamalarım için isteğe bağlı bir direnç seçildi, ardından Denklem 4 kullanılarak bir kapasitör değeri hesaplandı. Bu nedenle, yüksek geçiren filtre 100.000 ohm'luk bir direnç değerine ve 3.1831 mikrofaradlık bir kapasitör değerine sahip olacaktır. Aynı şekilde, alçak geçiren filtre 100.000 ohm'luk bir direnç değerine ve 10.61 nano-farad'lık bir kapasitör değerine sahip olacaktır. Ayarlanan değerlere sahip bant geçiren filtrenin bir diyagramı gösterilmektedir.

Adım 3: Çentik Filtre Tasarımı

Çentik filtresi, bant geçiren filtrenin tam tersidir. Bir yüksek geçişin ardından bir alçak geçişin olması yerine, bir alçak geçişin ardından bir yüksek geçişin gelmesidir, bu nedenle kişi esasen küçük bir gürültü bandını ortadan kaldırabilir. Elektrokardiyogramın notch filtresi için Twin-T notch filtre tasarımı kullanıldı. Bu tasarım, bir merkez frekansının filtrelenmesine izin verir ve büyük bir kalite faktörü sağlar. Bu durumda kurtulmamız gereken merkez frekansı 60 Hz idi. Denklem 4 kullanılarak direnç değerleri, 0.1 mikrofaradlık belirli bir kapasitör değeri kullanılarak hesaplandı. 60 Hz'lik bir durdurma bandı için hesaplanan direnç değerleri 26, 525 ohm idi. Daha sonra R5, R3 ve R4'ün ½'si olarak hesaplandı. C3 ayrıca C1 ve C2 için seçilen değerin iki katı olarak hesaplanmıştır [3]. R1 ve R2 için isteğe bağlı dirençler seçildi.

Adım 4: Kombinasyon Devresi

Ağlar kullanılarak bu bileşenler birbirine seri olarak yerleştirildi ve tamamlanan devrenin görüntüsü resmedildi. Springer Science tarafından yayınlanan bir makaleye göre, tüm devre kurulduğunda EKG devresinin kabul edilebilir bir kazancı 70 dB civarında olmalıdır [4].

Adım 5: Tüm Devrenin Test Edilmesi

Tüm bileşenler bir seri halinde yerleştirildiğinde, tasarımın doğrulanması gerekliydi. Bu devre test edilirken, tüm bileşenlerin uyum içinde çalışıp çalışmadığını belirlemek için hem geçici hem de AC taraması yapıldı. Durum böyle olsaydı, geçici çıkış voltajı hala giriş voltajının yaklaşık 1000 katı olurdu. Benzer şekilde, AC taraması yapıldığında, 60 Hz'de bir çentik ile bir bant geçiren filtre bode grafiği beklenir. Resimdeki resimlere bakıldığında, bu devre bu hedeflerin her ikisini de başarıyla gerçekleştirebildi. Başka bir test, çentik filtresinin verimliliğini görmekti. Bunu test etmek için devreden 60 Hz'lik bir sinyal geçirildi. Resimde görüldüğü gibi, bu çıkışın büyüklüğü, frekans geçiş bandı içindeyken 1000x ile karşılaştırıldığında, girişten sadece 5 kat daha büyüktü.

6. Adım: Kaynaklar:

[1] “ECG Measurement System,” Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (1 Aralık'ta erişildi, 2020).

[2] L. G. Tereshchenko ve M. E. Josephson, “Frekans İçeriği ve Ventriküler İletimin Karakteristikleri”, Elektrokardiyoloji Dergisi, cilt. 48, hayır. 6, s. 933–937, 2015, doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] “Band Stop Filters, Reject Filters olarak adlandırılır,” Basic Electronics Tutorials, 22 Mayıs 2018.

[4] N. Güler ve U. Fidan, “Wireless Transmission of ECG Signal”, Springer Science, vol. 30, Nisan 2005, doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.