Automatický simulátor obvodu EKG: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:18

Elektrokardiogram (EKG) je výkonná technika používaná k měření elektrické aktivity srdce pacienta. Unikátní tvar těchto elektrických potenciálů se liší v závislosti na umístění záznamových elektrod a byl použit k detekci mnoha podmínek. Díky včasné detekci různých srdečních chorob mohou lékaři poskytnout svým pacientům řadu doporučení, která by jejich situaci řešila. Tento stroj se skládá ze tří hlavních komponent: zesilovač instrumentace následovaný zářezovým filtrem a pásmovým filtrem. Cílem těchto částí je zesílit příchozí signály, odstranit nežádoucí signály a předat všechny relevantní biologické signály. Analýza výsledného systému ukázala, že elektrokardiogram, jak se očekávalo, plní své požadované úkoly k produkci použitelného signálu EKG, což dokazuje jeho užitečnost pro detekci srdečních stavů.

Zásoby:

• Software LTSpice
• Soubory signálu EKG

Krok 1: Zesilovač instrumentace

Přístrojový zesilovač, někdy zkráceně INA, se používá k zesílení nízkoúrovňových biologických signálů pozorovaných od pacienta. Typická INA se skládá ze tří operačních zesilovačů (operační zesilovače). Dva operační zesilovače by měly být v neinvertující konfiguraci a poslední operační zesilovač v diferenciální konfiguraci. Spolu s operačními zesilovači je použito sedm odporů, které nám umožňují měnit zisk změnou velikosti hodnot odporu. Z rezistorů jsou tři páry a jedna individuální velikost.

Pro tento projekt použiji zesílení 1000 k zesílení signálů. Poté zvolím libovolné hodnoty R2, R3 a R4 (nejjednodušší je, pokud jsou velikosti R3 a R4 ekvivalentní, protože by se zrušily na 1, což by usnadnilo výpočty). Odtud mohu vyřešit, aby R1 měla všechny potřebné velikosti součástí.

Zisk = (1 + 2R2/R1) * (R4/R3)

Pomocí výše uvedené rovnice zisku a hodnot R2 = 50kΩ a R3 = R4 = 10kΩ získáme R1 = 100Ω.

Abychom zkontrolovali, že zisk je ve skutečnosti 1000, můžeme spustit obvod s funkcí.ac sweep a sledovat, kde nastává plateau. V tomto případě je to 60 dB. Pomocí níže uvedené rovnice můžeme převést dB na bezrozměrný Vout/Vin, který nakonec bude 1000, jak se očekávalo.

Zisk, dB = 20*log (Vout/Vin)

Krok 2: Zářezový filtr

Další součástí, která má být navržena, je zářezový filtr. Hodnota komponent pro tento filtr do značné míry závisí na tom, jakou frekvenci chcete snížit. Pro tento návrh chceme snížit frekvenci 60 Hz (fc), která je uvolňována lékařskými přístroji.

V tomto návrhu bude použit dvojitý zářezový filtr, který zajistí, že bude vyřízeno pouze požadované, a že omylem neutlumíme požadované biologické frekvence poblíž značky 60 Hz. Hodnoty komponent byly nalezeny výběrem libovolných hodnot odporu, z nichž jsem se rozhodl použít 2kΩ pro dolní propust (horní T) a 1kΩ pro horní propust (spodní T). Pomocí níže uvedené rovnice jsem vyřešil potřebné hodnoty kondenzátoru.

fc = 1 / (4*pi*R*C)

Děj Bode byl znovu nalezen pomocí funkce.ac sweep, kterou LTSpice nabízí.

Krok 3: Pásmový filtr

Poslední složka automatizovaného systému EKG je potřebná k předání biologických frekvencí, protože to je to, co nás zajímá. Typický signál EKG se vyskytuje mezi 0,5 Hz a 150 Hz (fc), proto by mohly být použity dva filtry; buď pásmový filtr, nebo dolní propust. V tomto návrhu byl použit pásmový filtr, protože je o něco přesnější než dolní propust, ačkoli ten by stále fungoval, protože biologické frekvence obecně stejně nemají vysoké frekvence.

Pásmový filtr obsahuje dvě části: horní propust a dolní propust. Filtr horního průchodu přichází před operační zesilovač a dolní průchod je po. Pamatujte, že existuje celá řada návrhů pásmových filtrů, které lze použít.

fc = 1 / (2*pi*R*C)

Opět platí, že k nalezení požadovaných hodnot jiných částí jsou často vybírány libovolné hodnoty. V posledním filtru jsem zvolil libovolné hodnoty odporu a vyřešil hodnoty kondenzátoru. Abych předvedl, že nezáleží na tom, s kým začnete, nyní vyberu libovolné hodnoty kondenzátoru, které vyřešíme pro hodnoty odporu. V tomto případě jsem zvolil hodnotu kondenzátoru 1uF. Pomocí výše uvedené rovnice použiji vždy jednu mezní frekvenci pro vyřešení příslušného odporu. Pro jednoduchost použiji stejnou hodnotu kondenzátoru jak pro horní, tak pro dolní část pro pásmový filtr. 0,5 Hz bude použito k vyřešení horního odporu a 150 Hz mezní frekvence se použije k nalezení dolního odporu.

K ověření, zda návrh obvodu fungoval správně, lze znovu použít Bodeův diagram.

Krok 4: Plný systém

Poté, co bylo u každé součásti ověřeno, že funguje samostatně, lze součásti spojit do jednoho systému. Pomocí importovaných dat EKG a funkce PWL v generátoru zdroje napětí můžete spouštět simulace, abyste zajistili, že systém správně zesiluje a předává požadované biologické frekvence.

Snímek obrazovky horního grafu je příkladem toho, jak vypadají výstupní data pomocí funkce.tran a snímek obrazovky dolního grafu je příslušným bodovým plotem pomocí funkce.ac.

Lze stáhnout různá vstupní data EKG (na tuto stránku byly přidány dva různé vstupní soubory EKG) a přenesena do funkce k testování systému na různých modelovaných pacientech.