Model zautomatyzowanego obwodu EKG: 4 kroki

2025 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2025-01-23 15:02

Celem tego projektu jest stworzenie modelu obwodu z wieloma komponentami, które mogą odpowiednio wzmacniać i filtrować przychodzący sygnał EKG. Trzy elementy będą modelowane indywidualnie: wzmacniacz instrumentacyjny, aktywny filtr wycinający i pasywny filtr pasmowoprzepustowy. Zostaną one połączone, aby stworzyć ostateczny model obwodu EKG. Całe modelowanie i testowanie obwodów odbywało się w LTspice, ale działały również inne programy do symulacji obwodów.

Krok 1: Wzmacniacz oprzyrządowania

Będzie to pierwszy element pełnego modelu EKG. Jego celem jest wzmocnienie przychodzącego sygnału EKG, który początkowo będzie miał bardzo niskie napięcie. Zdecydowałem się na połączenie wzmacniaczy operacyjnych i elementów rezystancyjnych w taki sposób, aby uzyskać wzmocnienie 1000. Pierwsze zdjęcie przedstawia konstrukcję wzmacniacza oprzyrządowania modelowanego w LTspice. Drugi obraz przedstawia odpowiednie równania i wykonane obliczenia. Po pełnym modelowaniu, analiza stanu nieustalonego sinusoidalnego sygnału wejściowego 1 mV przy 75 Hz została przeprowadzona w LTspice w celu potwierdzenia wzmocnienia 1000. Trzeci obraz przedstawia wyniki tej analizy.

Krok 2: Aktywny filtr wycinający

Będzie to drugi element pełnego modelu EKG. Jego celem jest tłumienie sygnałów o częstotliwości 60 Hz, która jest częstotliwością zakłóceń napięcia sieciowego AC. To zniekształca sygnały EKG i jest zwykle obecne we wszystkich warunkach klinicznych. Zdecydowałem się na połączenie wzmacniacza operacyjnego z komponentami rezystancyjnymi i pojemnościowymi w konfiguracji podwójnego filtra wycinającego. Pierwszy obraz przedstawia projekt filtra wycinającego modelowany w LTspice. Drugi obraz przedstawia odpowiednie równania i wykonane obliczenia. Po pełnym modelowaniu przeprowadzono przemiatanie AC sinusoidalnego sygnału wejściowego 1 V od 1 Hz do 100 kHz w LTspice, aby potwierdzić wycięcie przy 60 Hz. Trzeci obraz przedstawia wyniki tej analizy. Niewielkie różnice w wynikach symulacji w porównaniu z wynikami oczekiwanymi wynikają prawdopodobnie z zaokrągleń wykonanych podczas obliczania elementów rezystancyjnych i pojemnościowych tego obwodu.

Krok 3: Pasywny filtr pasmowy

Będzie to trzeci element pełnego modelu EKG. Jego celem jest odfiltrowanie sygnałów, które nie mieszczą się w zakresie 0,05 Hz - 250 Hz, ponieważ jest to zakres typowego EKG dorosłych. Zdecydowałem się na połączenie elementów rezystancyjnych i pojemnościowych, aby odcięcie górnoprzepustowe wyniosło 0,05 Hz, a odcięcie dolnoprzepustowe wyniosłoby 250 Hz. Pierwszy obraz przedstawia konstrukcję pasywnego filtra pasmowego zamodelowaną w LTspice. Drugi obraz przedstawia odpowiednie równania i wykonane obliczenia. Po pełnym modelowaniu wykonano przemiatanie AC sinusoidalnego sygnału wejściowego o napięciu 1 V w zakresie 0,01 Hz - 100 kHz w LTspice w celu potwierdzenia górno- i dolnoprzepustowych częstotliwości odcięcia. Trzeci obraz przedstawia wyniki tej analizy. Niewielka różnica w wynikach symulacji w porównaniu z wynikami oczekiwanymi jest prawdopodobnie spowodowana zaokrągleniem dokonanym podczas obliczania elementów rezystancyjnych i pojemnościowych tego obwodu.

Krok 4: Łączenie komponentów obwodu

Teraz, gdy wszystkie komponenty zostały zaprojektowane i przetestowane indywidualnie, można je łączyć szeregowo w kolejności, w jakiej zostały utworzone. Daje to w wyniku model pełnego obwodu EKG, który najpierw zawiera wzmacniacz oprzyrządowania do 1000-krotnego wzmocnienia sygnału. Następnie stosuje się filtr wycinający w celu wyeliminowania zakłóceń napięcia sieciowego 60 Hz. Wreszcie, filtr pasmowy nie przepuszcza sygnału, który jest poza zakresem typowego EKG dorosłego (0,05 Hz - 250 Hz). Po połączeniu, jak pokazano na pierwszym obrazie, analizę transjentów i pełne przemiatanie AC można przeprowadzić w LTspice przy napięciu wejściowym 1 mV (sinusoidalnym), aby upewnić się, że komponenty współpracują zgodnie z oczekiwaniami. Drugi obraz przedstawia wyniki analizy transjentów, które pokazują wzmocnienie sygnału od 1 mV do ~0,85 V. Oznacza to, że albo składniki filtra wycinającego, albo pasmowoprzepustowego nieco osłabiają sygnał po początkowym 1000-krotnym wzmocnieniu przez wzmacniacz oprzyrządowania. Trzeci obraz przedstawia wyniki przemiatania AC. Ten wykres Bodego pokazuje wartości odcięcia górnego i dolnoprzepustowego, które odpowiadają wartościom z wykresu Bodego filtru pasmowego, gdy są testowane indywidualnie. Jest też lekki spadek w okolicach 60 Hz, czyli tam, gdzie filtr wycinający działa, aby usunąć niechciane szumy.