Automatyczny symulator obwodu EKG: 4 kroki

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

Elektrokardiogram (EKG) to potężna technika stosowana do pomiaru aktywności elektrycznej serca pacjenta. Unikalny kształt tych potencjałów elektrycznych różni się w zależności od położenia elektrod rejestrujących i został wykorzystany do wykrywania wielu warunków. Dzięki wczesnemu wykryciu różnych chorób serca lekarze mogą zapewnić swoim pacjentom szereg zaleceń dotyczących ich sytuacji. Ta maszyna składa się z trzech głównych elementów: wzmacniacza oprzyrządowania, po którym następuje filtr wycinający i filtr pasmowy. Celem tych części jest wzmocnienie przychodzących sygnałów, usunięcie niechcianych sygnałów i przepuszczenie wszystkich istotnych sygnałów biologicznych. Analiza powstałego systemu wykazała, że elektrokardiogram, zgodnie z oczekiwaniami, spełnia swoje zadania, aby wytworzyć użyteczny sygnał EKG, co wskazuje na jego przydatność do wykrywania chorób serca.

Kieszonkowe dzieci:

• Oprogramowanie LTSpice
• Pliki sygnału EKG

Krok 1: Wzmacniacz oprzyrządowania

Wzmacniacz oprzyrządowania, czasami w skrócie INA, służy do wzmacniania niskopoziomowych sygnałów biologicznych obserwowanych od pacjenta. Typowa INA składa się z trzech wzmacniaczy operacyjnych (wzmacniaczy operacyjnych). Dwa wzmacniacze operacyjne powinny być w konfiguracji nieodwracającej, a ostatni w konfiguracji różnicowej. Siedem rezystorów jest używanych obok wzmacniaczy operacyjnych, aby umożliwić nam różnicowanie wzmocnienia poprzez zmianę wielkości wartości rezystorów. Spośród rezystorów są trzy pary i jeden indywidualny rozmiar.

W tym projekcie użyję wzmocnienia 1000 do wzmocnienia sygnałów. Następnie wybiorę dowolne wartości R2, R3 i R4 (najłatwiej jest, jeśli R3 i R4 mają równoważny rozmiar, ponieważ anulują się do 1, torując drogę do łatwiejszych obliczeń). Stąd mogę ustalić, że R1 ma wszystkie niezbędne rozmiary komponentów.

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

Używając powyższego równania wzmocnienia i wartości R2 = 50kΩ i R3 = R4 = 10kΩ, otrzymujemy R1 = 100Ω.

Aby sprawdzić, czy wzmocnienie faktycznie wynosi 1000, możemy uruchomić obwód z funkcją przemiatania.ac i obserwować, gdzie występuje plateau. W tym przypadku jest to 60 dB. Korzystając z poniższego równania, możemy przekonwertować dB na bezwymiarowe Vout/Vin, które zgodnie z oczekiwaniami wynosi 1000.

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

Krok 2: Filtr wycinający

Kolejnym elementem do zaprojektowania jest filtr wycinający. Wartość komponentów tego filtra w dużej mierze zależy od tego, jaką częstotliwość chcesz wyciąć. W tym projekcie chcemy wyciąć częstotliwość 60 Hz (fc), która jest uwalniana przez oprzyrządowanie medyczne.

W tym projekcie zastosowano podwójny filtr wycinający, aby zapewnić, że tylko pożądane zostaną odcięte i że nie będziemy przypadkowo tłumić pożądanych częstotliwości biologicznych w pobliżu znaku 60 Hz. Wartości komponentów ustalano wybierając dowolne wartości rezystorów, z których wybrałem 2kΩ dla filtra dolnoprzepustowego (T górny) i 1kΩ dla filtra górnoprzepustowego (dolne T). Korzystając z poniższego równania, rozwiązałem niezbędne wartości kondensatorów.

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

Wykres Bodego został ponownie znaleziony przy użyciu funkcji przemiatania.ac oferowanej przez LTSpice.

Krok 3: Filtr pasmowoprzepustowy

Ostatni element zautomatyzowanego systemu EKG jest potrzebny do przepuszczania częstotliwości biologicznych, ponieważ to właśnie nas interesuje. Typowy sygnał EKG występuje między 0,5 Hz a 150 Hz (fc), dlatego można zastosować dwa filtry; albo filtr pasmowy lub filtr dolnoprzepustowy. W tym projekcie zastosowano filtr pasmowy, ponieważ jest on nieco bardziej precyzyjny niż filtr dolnoprzepustowy, chociaż nadal będzie działał, ponieważ częstotliwości biologiczne generalnie i tak nie mają wysokich częstotliwości.

Filtr pasmowy składa się z dwóch części: filtra górnoprzepustowego i filtra dolnoprzepustowego. Filtr górnoprzepustowy znajduje się przed wzmacniaczem operacyjnym, a dolnoprzepustowy jest za nim. Pamiętaj, że istnieje wiele różnych konstrukcji filtrów pasmowych, których można użyć.

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

Po raz kolejny można wybrać dowolne wartości, aby znaleźć wymagane wartości innych części. W ostatnim filtrze wybrałem dowolne wartości rezystorów i rozwiązałem wartości kondensatorów. Aby zademonstrować, że nie ma znaczenia, od którego zaczniesz, wybiorę teraz dowolne wartości kondensatorów do obliczenia wartości rezystorów. W tym przypadku wybrałem wartość kondensatora 1uF. Korzystając z powyższego równania, używam jednej częstotliwości odcięcia na raz, aby znaleźć odpowiedni rezystor. Dla uproszczenia użyję tej samej wartości kondensatora zarówno dla części górnoprzepustowej, jak i dolnoprzepustowej filtra pasmowego. 0,5 Hz zostanie użyte do znalezienia rezystora górnoprzepustowego, a częstotliwość odcięcia 150 Hz jest używana do znalezienia rezystora dolnoprzepustowego.

Wykres Bodego można ponownie wykorzystać do sprawdzenia, czy projekt obwodu działał prawidłowo.

Krok 4: Pełny system

Po sprawdzeniu, czy każdy element działa samodzielnie, części można połączyć w jeden system. Korzystając z zaimportowanych danych EKG i funkcji PWL w generatorze źródła napięcia, można przeprowadzać symulacje, aby upewnić się, że system odpowiednio wzmacnia i przekazuje pożądane częstotliwości biologiczne.

Zrzut ekranu z górnego wykresu jest przykładem tego, jak wyglądają dane wyjściowe przy użyciu funkcji.tran, a zrzut ekranu dolnego wykresu to odpowiedni wykres bode przy użyciu funkcji.ac.

Można pobierać różne dane wejściowe EKG (dwa różne pliki wejściowe EKG zostały dodane do tej strony) i wprowadzać je do funkcji w celu przetestowania systemu na różnych modelowanych pacjentach.