Simuloitu EKG -piiri: 7 vaihetta

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

Elektrokardiogrammi on yleinen testi, jota käytetään sekä vakiotutkimuksissa että vakavien sairauksien diagnosoinnissa. Tämä laite, joka tunnetaan nimellä EKG, mittaa sydämen sykkeen säätelystä vastaavan kehon sähköisiä signaaleja. Testi annetaan levittämällä elektrodit kohteen iholle ja tarkkailemalla ulostuloa, joka on tunnetun EKG -aaltomuodon muoto. Tämä aaltomuoto sisältää P -aallon, QRS -kompleksin ja T -aallon, jotka kumpikin edustavat fysiologista vastetta. Tässä oppaassa käydään läpi EKG: n simuloinnin vaiheet piirisimulointiohjelmistossa.

Tarvikkeet:

LTSpice tai vastaava piirisimulaattori

Vaihe 1: Rakenna instrumenttivahvistin

Instrumenttivahvistimen tarkoituksena on vahvistaa hyvin pieni signaali, jota usein ympäröi korkea melutaso. Tulosignaalin jännite EMG: hen on tyypillisesti 1 mV - 5 mV, ja tämän vaiheen tarkoituksena on vahvistaa tätä signaalia noin 1000 vahvistuksella. Kaaviossa esitetty vahvistus voidaan ohjata seuraavalla yhtälöllä, jossa R1 = R2, R4 = R5 ja R6 = R7:

Vahvistus = K1*K2, missä K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

Vahvistus asetettiin siis 1000: ksi, joten K1 ja K2 ovat noin 31,6. Jotkut vastukset voidaan valita mielivaltaisesti ja toiset laskea, kunhan vahvistusyhtälö on yhtä suuri kuin 1000. Fyysisessä piirissä elektrodit menevät operaatiovahvistimiin, mutta simulointitarkoituksiin toinen on maadoitettu ja toista käytetään merkitsemään mahdollinen ero. Vin -solmua käytetään myöhemmin tuloaaltojen simulointiin. Vout -solmu johtaa EKG: n seuraavaan vaiheeseen. Valittiin LTC1151 -operaatiovahvistin, koska se sijaitsee LTSpice -kirjastossa, sillä on korkea CMRR ja sitä on käytetty lääketieteellisissä laitteissa. Mikä tahansa perusoperaatiovahvistin, jonka syöttöjännite on +15V ja -15V, toimisi tässä järjestelmässä.

Vaihe 2: Luo lovisuodatin

Seuraava vaihe EKG: ssä on lovisuodatin, joka suodattaa pois 60 Hz: n taajuudella esiintyvät sähkölinjan häiriöt. Lovisuodatin toimii poistamalla pienen valikoiman signaaleja, jotka esiintyvät hyvin lähellä yksittäistä taajuutta. Siksi käyttämällä 60 Hz: n rajataajuutta ja rajataajuusyhtälöä voidaan valita sopivat vastukset ja kondensaattorit. Käyttämällä yllä olevaa kaaviota ja huomioiden, että C = C1 = C2, C3 = 2*C1, R = R10 ja R8 = R9 = 2*R10, kondensaattorin arvot voidaan valita mielivaltaisesti (esimerkissä on valittu 1uF -kondensaattori). Seuraavan yhtälön avulla voidaan laskea ja käyttää tässä vaiheessa sopivia vastusarvoja:

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

Vin -solmu on instrumentointivahvistimen lähtö ja Vout -solmu johtaa seuraavaan vaiheeseen.

Vaihe 3: Rakenna kaistanpäästösuodatin

Järjestelmän viimeinen vaihe koostuu aktiivisesta kaistanpäästösuodattimesta, joka poistaa kohinan tietyn taajuusalueen ylä- ja alapuolella. Perustason vaellus, joka johtuu signaalin lähtötasosta, joka vaihtelee ajan myötä, esiintyy alle 0,6 Hz: n ja EMG -kohinan, joka johtuu lihaskohinasta, esiintyy yli 100 Hz: n taajuuksilla. Siksi nämä numerot asetetaan rajataajuuksiksi. Kaistanpäästösuodatin koostuu alipäästösuodattimesta, jota seuraa ylipäästösuodatin. Molemmilla suodattimilla on kuitenkin sama rajataajuus:

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

Käyttämällä 1uF mielivaltaisena kondensaattorin arvona ja 0,6 ja 100 rajataajuuksina, vastusarvot laskettiin suodattimen sopiville osille. Vin -solmu tulee lovisuodattimen lähdöstä ja Vout -solmu mitataan koko järjestelmän simuloitu lähtö. Fyysisessä järjestelmässä tämä lähtö kytkeytyy oskilloskooppiin tai vastaavaan näyttölaitteeseen EKG -aaltojen katsomiseksi reaaliajassa.

Vaihe 4: Testaa instrumenttivahvistin

Seuraavaksi instrumenttivahvistin testataan sen varmistamiseksi, että se antaa 1000 vahvistuksen. Tätä varten syötä sinimuotoinen aalto mielivaltaisella taajuudella ja amplitudilla. Tässä esimerkissä käytettiin 2 mV: n huippua huippuamplitudiin edustamaan EMG -aaltoa ja taajuutta 1000 Hz. Simuloi instrumentointivahvistinta piirisimulointiohjelmistossa ja piirrä tulo- ja lähtöaaltomuodot. Tallenna tulo ja lähtö suuruuskohdistintoiminnolla ja vahvista Gain = Vout/Vin. Jos tämä vahvistus on noin 1000, tämä vaihe toimii oikein. Tässä vaiheessa voidaan suorittaa muita tilastollisia analyysejä ottamalla huomioon vastuksen toleranssit ja muuttamalla vastuksen arvoja +5% ja -5% nähdäkseen, miten se vaikuttaa lähtöaaltoon ja sen jälkeiseen vahvistukseen.

Vaihe 5: Testaa lovisuodatin

Testaa lovisuodatin suorittamalla AC -pyyhkäisy alueelta, joka sisältää 60 Hz. Tässä esimerkissä pyyhkäisy suoritettiin välillä 1 Hz - 200 Hz. Tuloksena oleva kuvaaja, kun se mitataan Vout -solmussa, antaa kaavion vahvistuksesta dB vs. taajuus Hz. Kaavion pitäisi alkaa ja päättyä 0 dB: n vahvistuksella taajuuksilla, jotka ovat kaukana 60 Hz: stä molempiin suuntiin, ja suuren vahvistuksen pudotuksen pitäisi näkyä 60 Hz: ssä tai hyvin lähellä sitä. Tämä osoittaa, että tällä taajuudella esiintyvät signaalit poistetaan asianmukaisesti halutusta signaalista. Tässä vaiheessa voidaan suorittaa muita tilastollisia analyysejä ottamalla huomioon vastuksen toleranssit ja muuttamalla vastuksen ja kondensaattorin arvoja +5% ja -5% nähdäksesi, miten se vaikuttaa kokeelliseen rajataajuuteen (taajuus, joka kokee eniten graafisesti).

Vaihe 6: Testaa kaistanpäästösuodatin

Testaa lopuksi kaistanpäästösuodatin suorittamalla toinen AC -pyyhkäisyanalyysi. Tällä kertaa pyyhkäisyn tulisi olla taajuudelta, joka on pienempi kuin 0,6 ja suurempi kuin 100, jotta kaistanpäästö voidaan nähdä graafisesti. Suorita jälleen analyysi mittaamalla kaavion mukaisessa Vout -solmussa. Lähdön pitäisi näyttää yllä olevasta kuvasta, jossa vahvistus on negatiivinen, mitä kauempana 0,6-100 Hz: n alueesta. Pisteiden, joissa vahvistus on -3 dB, tulisi olla 0,6 ja 100 Hz, tai arvot, jotka ovat hyvin lähellä ensimmäisen ja toisen pisteen arvoja. -3dB -pisteet osoittavat, kun signaali vaimennetaan pisteeseen, jossa lähtö näillä taajuuksilla on puolet alkuperäisestä tehosta. Siksi -3dB -pisteitä käytetään suodattimien signaalien vaimennuksen analysointiin. Jos tulostettavan kuvaajan -3dB -pisteet vastaavat kaistanpäästöaluetta, vaihe toimii oikein.

Tässä vaiheessa voidaan suorittaa muita tilastollisia analyysejä ottamalla huomioon vastuksen toleranssit ja muuttamalla vastuksen ja kondensaattorin arvoja +5% ja -5% nähdäkseen, miten se vaikuttaa molempiin kokeellisiin rajataajuuksiin.

Vaihe 7: Kokoa koko EKG -järjestelmä

Lopuksi, kun kaikki kolme vaihetta on varmistettu toimivan kunnolla, aseta EKG: n kaikki kolme vaihetta yhteen ja lopputulos on valmis. Simuloitu EKG -aalto voidaan syöttää instrumenttivahvistinportaaseen ja ulostulon tulee olla vahvistettu EKG -aalto.