Automaattinen EKG -piirimalli: 4 vaihetta

2025 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2025-01-23 14:41

Tämän projektin tavoitteena on luoda piirimalli, jossa on useita komponentteja, jotka voivat riittävästi vahvistaa ja suodattaa tulevan EKG -signaalin. Kolme komponenttia mallinnetaan erikseen: instrumentointivahvistin, aktiivinen lovisuodatin ja passiivinen kaistanpäästösuodatin. Ne yhdistetään lopullisen EKG -piirimallin luomiseksi. Kaikki piirien mallinnus ja testaus suoritettiin LTspicessa, mutta myös muut piirisimulointiohjelmat toimisivat.

Vaihe 1: Instrumentation Amplifier

Tämä on koko EKG -mallin ensimmäinen komponentti. Sen tarkoituksena on vahvistaa tulevaa EKG -signaalia, jolla on aluksi erittäin matala jännite. Päätin käyttää yhdistettyjä op-vahvistimia ja resistiivisiä komponentteja tavalla, joka tuottaa 1000-kertaisen vahvistuksen. Ensimmäisessä kuvassa näkyy LTspice-mallinnettu mallinnusvahvistin. Toinen kuva esittää asiaankuuluvat yhtälöt ja suoritetut laskelmat. Täysin mallinnettuna 1 mV: n sinimuotoisen tulosignaalin ohimenevä analyysi 75 Hz: llä suoritettiin LTspice -järjestelmässä vahvistuksen vahvistamiseksi. Kolmas kuva esittää tämän analyysin tulokset.

Vaihe 2: Aktiivinen lovisuodatin

Tämä on koko EKG -mallin toinen komponentti. Sen tarkoituksena on vaimentaa signaaleja, joiden taajuus on 60 Hz, joka on vaihtovirtajännitehäiriöiden taajuus. Tämä vääristää EKG -signaaleja ja esiintyy tyypillisesti kaikissa kliinisissä olosuhteissa. Päätin käyttää op-vahvistimen yhdistämistä resistiivisten ja kapasitiivisten komponenttien kanssa kaksois-T-lovi-suodatinkokoonpanossa. Ensimmäisessä kuvassa näkyy LTspice -mallinnettu lovimuotoinen suodatin. Toinen kuva esittää asiaankuuluvat yhtälöt ja suoritetut laskelmat. Kun malli oli täysin mallinnettu, suoritettiin 1 V: n sinimuotoisen tulosignaalin AC -pyyhkäisy taajuudella 1 Hz - 100 kHz LTspice -järjestelmässä, jotta vahvistetaan lovi 60 Hz: ssä. Kolmas kuva esittää tämän analyysin tulokset. Simulaatiotulosten pieni vaihtelu odotettuihin tuloksiin johtuu todennäköisesti pyöristyksistä, jotka on tehty laskettaessa tämän piirin resistiivisiä ja kapasitiivisia komponentteja.

Vaihe 3: Passiivinen kaistanpäästösuodatin

Tämä on koko EKG -mallin kolmas komponentti. Sen tarkoituksena on suodattaa pois signaalit, jotka eivät ole alueella 0,05 - 250 Hz, koska tämä on tyypillisen aikuisen EKG: n alue. Päätin käyttää yhdistettyjä resistiivisiä ja kapasitiivisia komponentteja, joten ylipäästön katkaisu olisi 0,05 Hz ja alipäästön raja 250 Hz. Ensimmäisessä kuvassa näkyy passiivinen kaistanpäästösuodatin, joka on mallinnettu LTspice -ohjelmalla. Toinen kuva esittää asiaankuuluvat yhtälöt ja suoritetut laskelmat. Kun malli oli täysin mallinnettu, suoritettiin 1 V: n sinimuotoisen tulosignaalin AC -pyyhkäisy taajuudella 0,01 Hz - 100 kHz LTspice -ohjelmassa ylä- ja alipäästön rajataajuuksien vahvistamiseksi. Kolmas kuva esittää tämän analyysin tulokset. Simulaatiotulosten pieni vaihtelu odotettuihin tuloksiin johtuu todennäköisesti pyöristyksistä, jotka on tehty laskettaessa tämän piirin resistiivisiä ja kapasitiivisia komponentteja.

Vaihe 4: Piirikomponenttien yhdistäminen

Nyt kun kaikki komponentit on suunniteltu ja testattu erikseen, ne voidaan yhdistää sarjaan siinä järjestyksessä kuin ne on luotu. Tämä johtaa täyteen EKG -piirimalliin, joka sisältää ensin instrumentointivahvistimen signaalin 1000x vahvistamiseksi. Sitten käytetään lovisuodatinta 60 Hz: n vaihtovirtajännitteen kohinan poistamiseksi. Lopuksi kaistanpäästösuodatin ei salli signaalin kulkua, joka on tyypillisen aikuisen EKG -alueen ulkopuolella (0,05 Hz - 250 Hz). Yhdistettynä, kuten ensimmäisessä kuvassa näkyy, ohimenevä analyysi ja täysi AC -pyyhkäisy voidaan suorittaa LTspice -laitteessa, jonka tulojännite on 1 mV (sinimuotoinen), jotta komponentit toimivat yhdessä odotetusti. Toisessa kuvassa näytetään ohimeneviä analyysituloksia, jotka osoittavat signaalin vahvistuksen 1 mV: sta ~ 0,85 V. Kolmas kuva näyttää AC -pyyhkäisyn tulokset. Tämä Bode -käyrä näyttää ylä- ja alipäästökatkaisut, jotka vastaavat kaistanpäästösuodattimen Bode -käyrää yksittäisesti testattuna. On myös pieni lasku noin 60 Hz, joka on paikka, jossa lovisuodatin pyrkii poistamaan ei -toivottua kohinaa.