Automatický model obvodu EKG: 4 kroky

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2025-01-23 14:38

Cílem tohoto projektu je vytvořit model obvodu s více komponenty, které mohou adekvátně zesílit a filtrovat příchozí signál EKG. Tři komponenty budou modelovány jednotlivě: přístrojový zesilovač, aktivní zářezový filtr a pasivní pásmový filtr. Zkombinují se a vytvoří konečný model obvodu EKG. Veškeré modelování a testování obvodů probíhalo v LTspice, ale fungovaly by i jiné programy pro simulaci obvodů.

Krok 1: Zesilovač instrumentace

Toto bude první součást celého modelu EKG. Jeho účelem je zesílení příchozího signálu EKG, který bude mít zpočátku velmi nízké napětí. Rozhodl jsem se použít kombinované operační zesilovače a odporové komponenty způsobem, který by přinesl zisk 1000. První obrázek ukazuje konstrukci zesilovače instrumentace modelovanou v LTspice. Druhý obrázek ukazuje příslušné rovnice a provedené výpočty. Po úplném modelování byla v LTspice provedena přechodová analýza sinusového vstupního signálu 1 mV při 75 Hz, aby se potvrdil zisk 1000. Třetí obrázek ukazuje výsledky této analýzy.

Krok 2: Active Notch Filter

Toto bude druhá součást celého modelu EKG. Jeho účelem je zeslabit signály s frekvencí 60 Hz, což je frekvence rušení střídavého síťového napětí. To zkresluje signály EKG a je obvykle přítomno ve všech klinických podmínkách. Rozhodl jsem se použít kombinaci operačního zesilovače s odporovými a kapacitními součástmi v konfiguraci zářezového filtru twin-T. První obrázek ukazuje design zářezového filtru modelovaný v LTspice. Druhý obrázek ukazuje příslušné rovnice a provedené výpočty. Jakmile je plně modelován, bylo provedeno střídání sinusového vstupního signálu 1 V od 1 Hz do 100 kHz v LTspice, aby se potvrdil zářez při 60 Hz. Třetí obrázek ukazuje výsledky této analýzy. Mírné kolísání výsledků simulace ve srovnání s očekávanými výsledky je pravděpodobně způsobeno zaokrouhlováním provedeným při výpočtu odporových a kapacitních složek tohoto obvodu.

Krok 3: Pasivní pásmový filtr

Toto bude třetí součást celého modelu EKG. Jeho účelem je odfiltrovat signály, které nejsou v rozsahu 0,05 Hz - 250 Hz, protože toto je rozsah typického EKG pro dospělé. Rozhodl jsem se použít kombinované odporové a kapacitní komponenty, takže horní propust bude 0,05 Hz a dolní propust bude 250 Hz. První obrázek ukazuje pasivní pásmový filtr navržený podle LTspice. Druhý obrázek ukazuje příslušné rovnice a provedené výpočty. Jakmile je plně modelován, bylo provedeno střídání sinusového vstupního signálu 1 V od 0,01 Hz do 100 kHz v LTspice, aby se potvrdily mezní frekvence horního a dolního průchodu. Třetí obrázek ukazuje výsledky této analýzy. Mírné kolísání výsledků simulace ve srovnání s očekávanými výsledky je pravděpodobně způsobeno zaokrouhlováním provedeným při výpočtu odporových a kapacitních složek tohoto obvodu.

Krok 4: Kombinace obvodových komponent

Nyní, když byly všechny součásti navrženy a testovány jednotlivě, lze je kombinovat do série v pořadí, v jakém byly vytvořeny. Výsledkem je plný model obvodu EKG, který nejprve obsahuje přístrojový zesilovač pro zesílení signálu 1000x. Poté se k odstranění šumu síťového napětí střídavého napětí 60 Hz použije zářezový filtr. A konečně, pásmový filtr neumožňuje průchod signálu, který je mimo rozsah typického EKG pro dospělé (0,05 Hz - 250 Hz). Po zkombinování, jak ukazuje první obrázek, lze v LTspice provést přechodovou analýzu a úplné střídání střídavého proudu se vstupním napětím 1 mV (sinusový), aby se zajistilo, že součásti budou spolupracovat podle očekávání. Druhý obrázek zobrazuje výsledky přechodové analýzy, které ukazují zesílení signálu od 1 mV do ~ 0,85 V. To znamená, že buď součásti zářezu nebo pásmového filtru mírně zeslabují signál poté, co byl zpočátku 1000x zesilován přístrojovým zesilovačem. Třetí obrázek zobrazuje výsledky střídání AC. Tento graf Bode zobrazuje mezní hodnoty horního a dolního průchodu, které odpovídají jednotlivým testům grafu Bode pásmového filtru. K dispozici je také mírný pokles kolem 60 Hz, což je místo, kde zářezový filtr pracuje na odstranění nežádoucího šumu.