Automaattinen EKG -piirisimulaattori: 4 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 08:59

Elektrokardiogrammi (EKG) on tehokas tekniikka, jota käytetään mittaamaan potilaan sydämen sähköistä aktiivisuutta. Näiden sähköpotentiaalien ainutlaatuinen muoto vaihtelee tallennuselektrodien sijainnin mukaan ja sitä on käytetty monien olosuhteiden havaitsemiseen. Eri sydänsairauksien varhaisessa havaitsemisessa lääkärit voivat tarjota potilailleen lukuisia suosituksia heidän tilanteeseensa. Tämä kone koostuu kolmesta pääkomponentista: instrumentointivahvistimesta, jota seuraa lovisuodatin ja kaistanpäästösuodatin. Näiden osien tavoitteena on vahvistaa saapuvia signaaleja, poistaa ei -toivotut signaalit ja välittää kaikki asiaankuuluvat biologiset signaalit. Tuloksena olevan järjestelmän analyysi osoitti, että elektrokardiogrammi suorittaa odotetusti tehtävänsä tuottaakseen käyttökelpoisen EKG -signaalin, mikä osoittaa sen hyödyllisyyden sydänsairauksien havaitsemiseen.

Tarvikkeet:

• LTSpice -ohjelmisto
• EKG -signaalitiedostot

Vaihe 1: Instrumentation Amplifier

Instrumenttivahvistinta, joskus lyhennettä INA, käytetään vahvistamaan potilaan havaitsemia alhaisen tason biologisia signaaleja. Tyypillinen INA koostuu kolmesta operaatiovahvistimesta (Op Amps). Kahden Op-vahvistimen tulee olla ei-invertoivassa kokoonpanossa ja viimeisen Op-vahvistimen differentiaalikokoonpanossa. Op -vahvistimien rinnalla käytetään seitsemää vastusta, joiden avulla voimme muuttaa vahvistusta muuttamalla vastuksen arvokokoja. Vastuksista on kolme paria ja yksi yksilöllinen koko.

Tässä projektissa käytän vahvistusta 1000 vahvistamaan signaaleja. Valitsen sitten mielivaltaiset R2-, R3- ja R4 -arvot (on helpointa, jos R3 ja R4 ovat kooltaan vastaavia, koska ne peruutetaan yhdeksi, mikä helpottaa laskemista). Täältä voin ratkaista, että R1: llä on kaikki tarvittavat komponenttikoot.

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

Käyttämällä yllä olevaa vahvistusyhtälöä ja arvoja R2 = 50kΩ ja R3 = R4 = 10kΩ saadaan R1 = 100Ω.

Tarkistaaksemme, että vahvistus on itse asiassa 1000, voimme suorittaa piirin.ac -pyyhkäisytoiminnolla ja tarkkailla tasangon esiintymistä. Tässä tapauksessa se on 60 dB. Käyttämällä alla olevaa yhtälöä voimme muuntaa dB: n mittaamattomaksi Vout/Viniksi, joka on odotetusti 1000.

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

Vaihe 2: Lovisuodatin

Seuraavaksi suunniteltava komponentti on lovisuodatin. Tämän suodattimen komponenttien arvo riippuu suurelta osin siitä, minkä taajuuden haluat poistaa. Tätä suunnittelua varten haluamme leikata pois 60 Hz: n taajuuden (fc), jonka lääketieteelliset instrumentit vapauttavat.

Tässä mallissa käytetään kaksois-t-lovisuodatinta, jolla varmistetaan, että vain haluttu leikataan pois ja että emme vahingossa vaimenna haluttuja biologisia taajuuksia lähellä 60 Hz -merkkiä. Komponenttien arvot löydettiin valitsemalla mielivaltaisia vastusarvoja, joista päädyin käyttämään 2 kΩ alipäästösuodattimessa (ylhäällä T) ja 1 kΩ ylipäästösuodattimessa (alhaalla T). Alla olevan yhtälön avulla ratkaisin tarvittavat kondensaattorin arvot.

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

Bode -kuvaaja löydettiin jälleen käyttämällä.ac -pyyhkäisytoimintoa, jota LTSpice tarjoaa.

Vaihe 3: Kaistanpäästösuodatin

Automatisoidun EKG -järjestelmän viimeinen komponentti tarvitaan biologisten taajuuksien läpäisemiseen, koska se kiinnostaa meitä. Tyypillinen EKG -signaali esiintyy välillä 0,5 Hz - 150 Hz (fc), joten voitaisiin käyttää kahta suodatinta; joko kaistanpäästösuodatin tai alipäästösuodatin. Tässä mallissa käytettiin kaistanpäästösuodatinta, koska se on hieman tarkempi kuin alipäästö, vaikka se toimisi edelleen, koska biologisilla taajuuksilla ei yleensä ole korkeita taajuuksia.

Kaistanpäästösuodatin sisältää kaksi osaa: ylipäästösuodattimen ja alipäästösuodattimen. Ylipäästösuodatin tulee ennen op -vahvistinta ja alipäästö on sen jälkeen. Muista, että voidaan käyttää erilaisia kaistanpäästösuodattimia.

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

Jälleen kerran voidaan valita mielivaltaisia arvoja muiden osien vaadittujen arvojen löytämiseksi. Viimeisessä suodattimessa valitsin mielivaltaiset vastusarvot ja ratkaisin kondensaattorin arvot. Osoittaakseni, että sillä ei ole väliä, kummasta aloitat, valitsen nyt mielivaltaiset kondensaattorin arvot vastusarvojen ratkaisemiseksi. Tässä tapauksessa valitsin kondensaattorin arvon 1uF. Yllä olevan yhtälön avulla käytän yhtä rajataajuutta kerrallaan vastauksen ratkaisemiseksi. Yksinkertaisuuden vuoksi käytän samaa kondensaattorin arvoa sekä ylipäästö- että alipäästösuuntaan kaistanpäästösuodattimessa. 0,5 Hz: ää käytetään ratkaisemaan ylipäästövastuksen ja 150 Hz: n rajataajuutta käytetään alipäästövastuksen löytämiseen.

Bode -käyrää voidaan jälleen käyttää tarkistamaan, toimiiko piirisuunnittelu asianmukaisesti.

Vaihe 4: Koko järjestelmä

Kun jokainen komponentti on varmistettu toimimaan itsenäisesti, osat voidaan yhdistää yhdeksi järjestelmäksi. Käyttämällä tuotuja EKG -tietoja ja jännitelähdegeneraattorin PWL -toimintoa voit suorittaa simulaatioita varmistaaksesi, että järjestelmä vahvistaa ja siirtää halutut biologiset taajuudet oikein.

Ylimmäinen kuvaajakuva on esimerkki siitä, miltä lähtötiedot näyttävät.tran -funktiota käytettäessä, ja alin kuvakaappaus on vastaava bode -kuvaaja, joka käyttää.ac -funktiota.

Erilaisia syötettyjä EKG -tietoja voidaan ladata (tälle sivulle on lisätty kaksi erilaista EKG -sisääntulotiedostoa) ja tuoda toiminto, joka testaa järjestelmää eri mallinnetuilla potilailla.