ECG automatisé : simulations d'amplification et de filtrage à l'aide de LTspice : 5 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

C'est l'image de l'appareil final que vous allez construire et une discussion très approfondie sur chaque partie. Décrit également les calculs pour chaque étape.

L'image montre le schéma fonctionnel de cet appareil

Méthodes et matériels:

L'objectif de ce projet était de développer un dispositif d'acquisition de signal afin de caractériser un signal biologique spécifique/collecter des données pertinentes sur le signal. Plus précisément, un ECG automatisé. Le schéma fonctionnel illustré à la figure 3 met en évidence le schéma proposé pour le dispositif. L'appareil recevrait le signal biologique via une électrode puis l'amplifierait à l'aide d'un amplificateur avec un gain de 1000. Cette amplification est nécessaire car le signal biologique sera moindre à environ 5mV ce qui est très petit et peut être difficile à interpréter [5]. Ensuite, le bruit serait réduit à l'aide d'un filtre passe-bande afin d'obtenir la plage de fréquences souhaitée pour le signal, 0,5-150 Hz, puis une encoche suivrait afin de supprimer le bruit environnant normal causé par les lignes électriques trouvées autour de 50-60 Hz [11]. Enfin, le signal doit ensuite être converti en numérique afin qu'il puisse être interprété à l'aide d'un ordinateur et cela se fait avec un convertisseur analogique-numérique. Cependant, dans cette étude, l'accent sera principalement mis sur l'amplificateur, le filtre passe-bande et le filtre coupe-bande.

L'amplificateur, le filtre passe-bande et le filtre coupe-bande ont tous été conçus et simulés à l'aide de LTSpice. Chaque section a d'abord été développée séparément et testée afin de s'assurer qu'elle fonctionnait correctement, puis concaténée dans un schéma final. L'amplificateur, que l'on peut voir sur la figure 4, a été conçu et basé sur un amplificateur instrumental. Un amplificateur d'instrumentation est couramment utilisé dans les ECG, les moniteurs de température et même les détecteurs de tremblement de terre, car il peut amplifier un très faible niveau de signal tout en rejetant l'excès de bruit. Il est également très facile à modifier afin d'ajuster le gain nécessaire [6]. Le gain souhaité pour le circuit est de 1000 et cela a été sélectionné car l'entrée de l'électrode sera un signal alternatif inférieur à 5 mV [5] et doit être amplifié afin de rendre les données plus faciles à interpréter. Afin d'obtenir un gain de 1000, l'équation (1) GAIN=(1+(R2+R4)/R1)(R6/R3) a été utilisée qui a donc donné GAIN=(1+(5000Ω+5000Ω)/101.01Ω)(1000Ω/100Ω) = 1000. Afin de confirmer que la quantité correcte d'amplification a été obtenue, un test transitoire a été effectué en utilisant LTspice.

La deuxième étape était un filtre passe-bande. Ce filtre peut être vu sur la figure 5 et se compose d'un filtre passe-bas puis d'un filtre passe-haut avec un amplificateur opérationnel entre les deux pour empêcher les filtres de s'annuler l'un l'autre. Le but de cette étape est de produire une gamme définie de fréquences qui seront acceptables pour traverser l'appareil. La plage souhaitée pour cet appareil est de 0,5 à 150 Hz puisqu'il s'agit de la plage standard pour l'ECG [6]. Afin d'atteindre cette plage cible, l'équation (2) fréquence de coupure = 1/(2πRC) a été utilisée afin de déterminer la fréquence de coupure pour les filtres passe-haut et passe-bas dans la bande passante. Étant donné que l'extrémité inférieure de la plage devait être de 0,5 Hz, les valeurs de la résistance du filtre passe-haut et du condensateur ont été calculées pour être de 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83µF) et avec l'extrémité supérieure devant être de 150 Hz, le bas Les valeurs de la résistance du filtre passe et du condensateur ont été calculées pour être 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1.061µF). Afin de confirmer que la plage de fréquences correcte a été atteinte, un balayage CA a été exécuté à l'aide de LTspice.

Le troisième et dernier étage simulé est le filtre coupe-bande et peut être vu sur la figure 6. Le filtre coupe-bande sert à éliminer le bruit indésirable qui se produit au milieu de la plage de fréquences souhaitée créée par la bande passante. La fréquence cible dans ce cas est de 60 Hz car il s'agit de la fréquence de ligne électrique standard aux États-Unis et cause des interférences si elle n'est pas traitée [7]. Le filtre coupe-bande sélectionné pour gérer cette interférence était un filtre coupe-bande double avec deux amplificateurs opérationnels et un diviseur de tension. Cela permettra au signal non seulement de filtrer le signal directement à la fréquence cible, mais également d'introduire un retour variable dans le système, un facteur de qualité réglable Q et une sortie variable grâce au diviseur de tension et en a donc fait un filtre actif au lieu de un passif [8]. Ces facteurs supplémentaires ont cependant été pour la plupart laissés intacts dans les tests initiaux, mais seront abordés dans les travaux futurs et sur la manière d'améliorer le projet plus tard. Afin de déterminer le centre de la fréquence de réjection, l'équation (3) fréquence de réjection centrale=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 a été utilisé. Afin de confirmer que la fréquence de rejet correcte a été atteinte, un balayage CA a été exécuté à l'aide de LTspice.

Enfin, après que chaque étage a été testé séparément, les trois étages ont été combinés comme le montre la figure 7. Il convient également de noter que tous les amplis op ont été alimentés avec une alimentation +15V et -15V DC afin de permettre une amplification substantielle se produire lorsque cela est nécessaire. Ensuite, un test transitoire et un balayage CA ont été effectués sur le circuit terminé.

Résultats:

Les graphiques pour chaque étape se trouvent directement sous son étape respective dans la section Figure de l'annexe. Pour le premier étage, l'amplificateur d'instrumentation, un test transitoire a été effectué sur le circuit afin de vérifier que le gain de l'amplificateur était de 1000. Le test a duré de 1 à 1,25 seconde avec un pas de temps maximum de 0,05. La tension fournie était une onde sinusoïdale alternative avec une amplitude de 0,005 V et une fréquence de 50 Hz. Le gain prévu était de 1000 et comme le montre la figure 4, le Vout (la courbe verte) avait une amplitude de 5V. Le gain simulé a été calculé comme étant: gain = Vout/Vin = 5V/0,005V = 1000. Par conséquent, le pourcentage d'erreur pour cette étape est de 0 %. 0,005 V a été sélectionné comme entrée pour cette section car il sera étroitement lié à l'entrée reçue d'une électrode comme mentionné dans la section des méthodes.

Le deuxième étage, le filtre passe-bande, avait une plage cible de 0,5 à 150 Hz. Afin de tester le filtre et de s'assurer que la plage correspondait, une décade, un balayage CA a été exécuté avec 100 points par décade de 0,01 à 1000 Hz. La figure 5 montre les résultats du balayage CA et confirme qu'une plage de fréquences de 0,5 à 150 Hz a été atteinte car le maximum moins 3 dB donne la fréquence de coupure. Cette méthode est illustrée sur le graphique.

Le troisième étage, le filtre coupe-bande, a été conçu pour éliminer le bruit trouvé autour de 60 Hz. Le centre de fréquence de rejet calculé était d'environ 56 Hz. Afin de confirmer cela, une décade, un balayage CA a été exécuté avec 100 points par décade de 0,01 à 1000 Hz. La figure 6 montre les résultats du balayage CA et illustre un centre de fréquence de rejet ~56-59 Hz. Le pourcentage d'erreur pour cette section serait de 4,16 %.

Après avoir confirmé que chaque étage individuel fonctionnait, les trois étages ont ensuite été assemblés comme le montre la figure 7. Ensuite, un test transitoire a été effectué pour vérifier l'amplification du circuit et le test a duré de 1 à 1,25 secondes avec un pas de temps maximum de 0,05 avec un tension fournie d'une onde sinusoïdale alternative avec une amplitude de 0,005 V et une fréquence de 50 Hz. Le graphique résultant est le premier graphique de la figure 7 montre Vout3 (rouge), la sortie de l'ensemble du circuit, étant de 3,865 V et donc le gain = 3,865V/0,005V = 773. Ceci est significativement différent du gain prévu de 1000 et donne une erreur de 22,7%. Après le test transitoire, une décennie, le balayage CA a été exécuté avec 100 points par décennie de 0,01 à 1 000 Hz et a produit le deuxième graphique de la figure 7. Ce graphique met en évidence les résultats escomptés et montre les filtres fonctionnant en tandem pour produire un filtre qui accepte des fréquences de 0,5 à 150 Hz avec un centre de réjection de 57,5 à 58,8 Hz.

Équations:

(1) – gain de l'amplificateur d'instrumentation [6], résistances par rapport à celles trouvées sur la figure 4.

(2) – fréquence de coupure pour un filtre passe-bas/haut

(3) – pour le filtre coupe-bande twin t [8], résistances relatives à celles trouvées sur la figure 6.

Étape 1: Amplificateur d'instrumentation

Étape 1: l'amplificateur instrumental

équation - GAIN=(1+(R2+R4)/R1)(R6/R3)

Étape 2: passe-bande

étape 2: filtre passe-bande

équation: fréquence de coupure = 1/2πRC

Étape 3: Étape 3: Filtre coupe-bande

étape 3: filtre Twin T Notch

équation - fréquence de réjection centrale=1/2π √(1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Étape 4: Schéma final de toutes les étapes ensemble

Schéma final avec balayage alternatif et courbes transitoires

Étape 5: Discussion de l'appareil

Discussion:

Le résultat des tests effectués ci-dessus s'est déroulé comme prévu pour l'ensemble du circuit. Bien que l'amplification n'était pas parfaite et que le signal se dégradait légèrement au fur et à mesure qu'il traversait le circuit (ce qui peut être vu sur la figure 7, graphique 1 où le signal est passé de 0,005V à 5V après le premier étage puis a diminué à 4V après le deuxième puis 3,865 V après l'étape finale), le filtre passe-bande et coupe-bande a fonctionné comme prévu et a produit une plage de fréquences de 0,5 à 150 Hz avec une suppression de fréquence d'environ 57,5 à 58,8 Hz.

Après avoir établi les paramètres de mon circuit, je l'ai ensuite comparé à deux autres ECG. Une comparaison plus directe avec uniquement des chiffres peut être trouvée dans le tableau 1. Il y avait trois points principaux à retenir lors de la comparaison de mes données avec d'autres sources de littérature. La première était que l'amplification dans mon circuit était nettement inférieure à celle des deux autres que je comparais également. Les deux circuits des sources de la littérature ont atteint une amplification de 1000 et dans l'ECG de Gawali [9], le signal a été encore amplifié d'un facteur 147 dans l'étage de filtre. Par conséquent, bien que le signal de mon circuit ait été amplifié de 773 (erreur de 22,7% par rapport à l'amplification standard) et jugé suffisant pour pouvoir interpréter le signal d'entrée de l'électrode [6], il est toujours éclipsé par rapport à l'amplification standard. 1000. Si une amplification standard devait être obtenue dans mon circuit, l'amplification dans l'amplificateur d'instrumentation devrait être augmentée à un facteur supérieur à 1000 de sorte que lorsque le gain diminue après avoir traversé chacun des étages de filtre de mon circuit, il a toujours un gain d'au moins 1000 ou les filtres doivent être ajustés afin d'éviter des niveaux de chute de tension plus élevés.

Le deuxième point important à retenir était que les trois circuits avaient des gammes de fréquences très similaires. Gawali [9] avait exactement la même plage de 0,5-150 Hz tandis que Goa [10] avait une plage légèrement plus large de 0,05-159 Hz. Le circuit de Goa présentait ce léger écart car cette plage convenait mieux à la carte d'acquisition de données utilisée dans leur configuration.

Le dernier point à retenir était les différences au centre des fréquences de réjection obtenues par les filtres coupe-bande dans chaque circuit. Gao et mon circuit avaient tous deux une cible de 60 Hz afin de supprimer le bruit de fréquence de ligne causé par les lignes électriques tandis que celui de Gawali était réglé sur 50 Hz. Cependant, cet écart est correct car selon l'emplacement dans le monde, la fréquence de la ligne électrique peut être de 50 ou 60 Hz. Par conséquent, une comparaison directe a été faite uniquement avec le circuit de Goa puisque l'interférence de la ligne électrique aux États-Unis est de 60 Hz [11]. Le pourcentage d'erreur est de 3,08 %.