CC BY
3УДК 615.47: 616.1
Липкин И.Ю.
аспирант Института биомедицинских систем Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
(г. Москва, Россия)
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОЛОСОВЫХ ФИЛЬТРОВ НИЗКИХ ЧАСТОТ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СИГНАЛОВ БИОПОТЕНЦИАЛОВ
Аннотация: статья описывает проблемы, связанные с регистрацией биопотенциалов, такие как синфазные помехи и характеристики сигнала, и предлагает решение в виде применения пассивных полосовых фильтров низких частот. Результаты экспериментов показали, что реконфигурация ёмкостей не оказывает существенного влияния на полосу полезного сигнала и в полосе 10...200 Гц не возникает существенных искажений.
Ключевые слова: биопотенциалы, электрокардиография, регистрация сигналов, входной импеданс, синфазные помехи, аналоговая обработка сигнала, цифровая обработка сигнала, помехи от сети питания, полосовые фильтры, амплитудно-частотные характеристики, искажения сигнала.
Источники сигналов биопотенциалов характеризуются высоким импедансом, что требует обеспечения высокого входного импеданса устройств регистрации и способствует значительной подверженности синфазным помехам. Амплитуда и частота сигнала обычно находятся в диапазоне 0,05-4 мВ и 0,05200 Гц, соответственно.
Поскольку помехи могут на несколько порядков превышать амплитуду полезного сигнала, возникает необходимость их подавления. Малая амплитуда полезного сигнала делает актуальной задачу уменьшения собственных шумов регистрирующей аппаратуры.
Современная аппаратура регистрации биопотенциалов преимущественно хранит, обрабатывает и передаёт информацию, представленную в цифровом виде. Для снижения требований к динамическому диапазону блока аналого-цифрового преобразования, целесообразно применение предварительной аналоговой обработки сигнала, обеспечивающей требуемый входной импеданс, защиту входных цепей и внеполосную фильтрацию.
Помехи от сети питания промышленной частоты 50/60 Гц и иных источников, собственные шумы активных и пассивных элементов входных электрических цепей и усилителей, а также артефакты движения кабелей, оказывающих влияние на величины паразитных ёмкостей, искажают сигнал биопотенциалов при их сборе и анализе.
Макет диагностической системы разработан для проведения исследований в области аппаратной реализации электрокардиографического оборудования и применяемых алгоритмов обработки сигналов электрической активности сердца.
Амплитудно-частотные характеристики позволяют оценивать воздействие на амплитуду в полосе частот полезного сигнала. Измерение производится подачей синусоидного сигнала от 10 Гц до 2,4 кГц на пару входных каналов аналого-цифрового преобразователя в дифференциальном режиме. На отрицательный контакт генератора сигнала дополнительно подаётся потенциал, близкий к синфазному входному напряжению, для исключения влияния паразитных ёмкостей.
Рассмотрены пассивные полосовые фильтры низких частот. На рисунке 1 представлена принципиальная схема.
Рис. 1. Принципиальная схема полосового фильтра.
Для ^ и ёмкости меняются так, чтобы суммарная ёмкость
составляла 0,1 мкФ. Соответственно, в качестве определения конфигурации будет указываться ёмкость конденсатора Изменение значений ёмкостей конденсаторов может влиять на форму и ширину полосы пропускания и полосы подавления фильтра. Результаты измерений амплитудно-частотных характеристик представлены на рисунке 2.
Рис. 2. Амплитудно-частотные характеристики в полосе 10...300 Гц.
Как видно по рисунку 2, большее отклонение от показателей без фильтрации имеет реконфигурация при С* = 0,025 мкФ. Разница амплитуды в полосе частот 250... 300 Гц составила до 1,5 дБ.
Коэффициент искажения нормирован к опорному напряжению АЦП, 2,4 В. Как показывают данные таблицы 1, в полосе 10...200 Гц значения гармонических искажений различаются в пределах 0,01 дБ. В полосах частот 200...590 Гц и 590...1200 Гц существенно отличается реконфигурация С* = 0,025 мкФ с показателем коэффициента гармонических искажений 4,872 дБ.
Таблица 1. Гармонические искажения сигнала с учётом шума, в зависимости от конфигурации ёмкости пассивного фильтра.
Ёмкость, мкФ 0 0,025 0,048 0,068 0,1
Коэффициент Искажения, дБ, в полосе частот 10...200 Гц -0,132 -0,120 -0,125 -0,131 -0,127
200...590 Гц -0,374 -0,708 -0,358 -0,384 -0,366
590...1200 Гц -1,952 -4,872 -1,879 -1,879 -1,878
Были проведены измерения амплитудно-частотных характеристик и оценено воздействие на амплитуду в полосе частот полезного сигнала. Также были рассмотрены пассивные полосовые фильтры и их влияние на форму сигнала. Измерения показали, что в полосе 10...200 Гц не возникает существенных искажений полезного сигнала.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Babusiak B. Two-Electrode ECG for Ambulatory Monitoring with Minimal Hardware Complexity / B. Babusiak, S. Borik, M. Smondrk // Sensors (Basel). - 2020. - Vol. 20, № 8. - P. 2386. doi: 10.3390/s20082386;
2. Bui N-T. The Comparison Features of ECG Signal with Different Sampling Frequencies and Filter Methods for Real-Time Measurement / N-T. Bui, G-s. Byun // Symmetry. - 2021. - Vol. 13, № 8. - P. 1461. doi: 10.3390/sym13081461;
3. Pimpale Y. Comparative Analysis of Active Filters for Processing of ECG Signal According to AHA Recommendation / Y. Pimpale, S. Gupta, R. Kanday // IE Delhi Section Conference (DELCON). - 2022. - № 2022. - P. 1-7. doi: 10.1109/DELC0N54057.2022.9753608;
4. Reconfigurable Architectures with High-Frequency Noise Suppression for Wearable ECG Devices / V. Joseph Michael Jerard, M. Thilagaraj, K. Pandiaraj [et al.] // Journal of healthcare engineering. - 2021. - № 22.12. - P. 12. doi: 10.1155/2021/1552641
Lipkin I.Yu.
National Research University of Electronic Technology (Moscow, Russia)
STUDY OF THE INFLUENCE OF LOW-PASS BANDPASS FILTERS
ON THE CHARACTERISTICS OF BIOPOTENTIAL SIGNALS
Abstract: the paper describes the problems associated with biopotential registration, such as in-phase interference and signal characteristics, and proposes a solution in the form of passive low-pass bandpass filters. Experimental results show that the reconfiguration of capacitances does not significantly affect the bandwidth of the useful signal and no significant signal distortion occurs in the 10...200 Hz bandwidth.
Keywords: biopotentials, electrocardiography, signal registration, input impedance, inphase noise, analogue signal processing, digital signal processing, power supply network noise, bandpass filters, amplitude-frequency characteristics, signal distortion.
