Symulowany obwód EKG: 7 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:26

Elektrokardiogram jest powszechnym badaniem stosowanym zarówno w standardowych badaniach, jak i diagnostyce poważnych chorób. To urządzenie, znane jako EKG, mierzy sygnały elektryczne w ciele odpowiedzialne za regulację bicia serca. Test jest przeprowadzany przez przyłożenie elektrod do skóry pacjenta i obserwację sygnału wyjściowego, który przybiera postać znanej pokazanej fali EKG. Ten kształt fali zawiera falę P, zespół QRS i falę T, z których każda reprezentuje odpowiedź fizjologiczną. W tym przewodniku opisano etapy symulacji EKG w oprogramowaniu do symulacji obwodów.

Kieszonkowe dzieci:

LTSpice lub podobny symulator obwodu

Krok 1: Zbuduj wzmacniacz oprzyrządowania

Celem wzmacniacza instrumentalnego jest wzmocnienie bardzo małego sygnału, który często jest otoczony wysokimi poziomami szumów. Napięcie sygnału wejściowego do EMG wynosi zwykle od 1 mV do 5 mV, a celem tego etapu jest wzmocnienie tego sygnału ze wzmocnieniem około 1000. Jak pokazano na schemacie, wzmocnienie można kontrolować za pomocą następującego równania, w którym R1 = R2, R4 = R5 i R6 = R7:

Zysk = K1*K2, gdzie K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

Wzmocnienie zostało zatem ustawione na 1000, więc K1 i K2 wynoszą około 31,6. Niektóre rezystory mogą być wybrane dowolnie, a inne obliczone, o ile równanie wzmocnienia jest spełnione jako równe 1000. W fizycznym obwodzie elektrody trafiałyby do wzmacniaczy operacyjnych, ale do celów symulacyjnych jeden jest uziemiony, a drugi służy do oznaczania potencjalna różnica. Węzeł Vin zostanie użyty do późniejszej symulacji fal wejściowych. Węzeł Vout prowadzi do następnego etapu EKG. Wybrano wzmacniacz operacyjny LTC1151, ponieważ znajduje się on w bibliotece LTSpice, ma wysoki CMRR i jest stosowany w oprzyrządowaniu medycznym. W tym układzie działałby dowolny podstawowy wzmacniacz operacyjny o napięciu zasilania +15V i -15V.

Krok 2: Zbuduj filtr wycinający

Kolejnym etapem w EKG jest filtr wycinający do odfiltrowania zakłóceń linii energetycznej, które występują przy częstotliwości 60 Hz. Filtr wycinający działa poprzez usuwanie niewielkiego zakresu sygnałów, które występują przy bardzo bliskiej pojedynczej częstotliwości. Dlatego stosując częstotliwość graniczną 60 Hz i równanie częstotliwości granicznej można dobrać odpowiednie rezystory i kondensatory. Korzystając z powyższego schematu i zauważając, że C = C1 = C2, C3 = 2*C1, R = R10 i R8 = R9 = 2*R10, wartości kondensatorów można wybrać dowolnie (przykład pokazuje wybrany kondensator 1uF). Korzystając z poniższego równania, odpowiednie wartości rezystorów można obliczyć i wykorzystać na tym etapie:

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

Węzeł Vin jest wyjściem ze wzmacniacza oprzyrządowania, a węzeł Vout prowadzi do następnego etapu.

Krok 3: Zbuduj filtr pasmowy

Ostatni etap systemu składa się z aktywnego filtra pasmowego, który usuwa szumy powyżej i poniżej określonego zakresu częstotliwości. Wędrówka linii bazowej, spowodowana zmieniającą się w czasie linią bazową sygnału, występuje poniżej 0,6 Hz, a szum EMG, spowodowany obecnością szumu mięśniowego, występuje przy częstotliwościach powyżej 100 Hz. Dlatego te liczby są ustawione jako częstotliwości odcięcia. Filtr pasmowy składa się z filtra dolnoprzepustowego, po którym następuje filtr górnoprzepustowy. Jednak oba filtry mają tę samą częstotliwość odcięcia:

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

Wykorzystując 1uF jako dowolną wartość kondensatora oraz 0,6 i 100 jako częstotliwości odcięcia, wartości rezystorów zostały obliczone dla odpowiednich części filtra. Węzeł Vin pochodzi z danych wyjściowych filtra wycinającego, a węzeł Vout jest miejscem, w którym będzie mierzony symulowany wynik pełnego systemu. W systemie fizycznym wyjście to łączyłoby się z oscyloskopem lub podobnym urządzeniem wyświetlającym, aby wyświetlać fale EKG w czasie rzeczywistym.

Krok 4: Przetestuj wzmacniacz oprzyrządowania

Następnie wzmacniacz oprzyrządowania zostanie przetestowany, aby upewnić się, że zapewnia wzmocnienie 1000. Aby to zrobić, wprowadź falę sinusoidalną o dowolnej częstotliwości i amplitudzie. W tym przykładzie wykorzystano amplitudę międzyszczytową 2mV do reprezentowania fali EMG i częstotliwości 1000 Hz. Symuluj wzmacniacz oprzyrządowania w oprogramowaniu do symulacji obwodów i wykreśl przebiegi wejściowe i wyjściowe. Używając funkcji kursora, zapisz wielkości wejściowe i wyjściowe i oblicz wzmocnienie jako Gain = Vout/Vin. Jeśli to wzmocnienie wynosi około 1000, ten etap działa prawidłowo. Na tym etapie można przeprowadzić dodatkową analizę statystyczną, biorąc pod uwagę tolerancje rezystorów i modyfikując wartości rezystorów o +5% i -5%, aby zobaczyć, jak wpływa to na falę wyjściową i późniejsze wzmocnienie.

Krok 5: Przetestuj filtr wycinający

Przetestuj filtr wycinający, wykonując przemiatanie AC z zakresu, który zawiera 60 Hz. W tym przykładzie przemiatanie przebiegało od 1 Hz do 200 Hz. Wynikowy wykres, mierzony w węźle Vout, wygeneruje wykres wzmocnienia w dB w funkcji częstotliwości w Hz. Wykres powinien zaczynać się i kończyć przy wzmocnieniu 0 dB przy częstotliwościach daleko od 60 Hz w obu kierunkach, a duży spadek wzmocnienia powinien pojawić się przy lub bardzo blisko 60 Hz. To pokazuje, że sygnały pojawiające się na tej częstotliwości są odpowiednio usuwane z pożądanego sygnału. Na tym etapie można przeprowadzić dodatkową analizę statystyczną, biorąc pod uwagę tolerancje rezystorów i modyfikując wartości rezystorów i kondensatorów o +5% i -5%, aby zobaczyć, jak wpływa to na eksperymentalną częstotliwość graniczną (częstotliwość, która jest najbardziej tłumiona graficznie).

Krok 6: Przetestuj filtr pasmowy

Na koniec przetestuj filtr pasmowy, wykonując kolejną analizę przemiatania AC. Tym razem przemiatanie powinno pochodzić z częstotliwości mniejszej niż 0,6 i większej niż 100, aby zapewnić, że pasmowoprzepustowość będzie widoczna graficznie. Ponownie uruchom analizę, mierząc w węźle Vout pokazanym na schemacie. Wyjście powinno wyglądać jak na powyższym rysunku, gdzie wzmocnienie jest ujemne im dalej od zakresu 0,6-100 Hz. Punkty, w których wzmocnienie wynosi -3dB, powinny wynosić 0,6 i 100 Hz, czyli wartości bardzo zbliżone do tych, odpowiednio dla pierwszego i drugiego punktu. Punkty -3dB oznaczają, że sygnał jest tłumiony do punktu, w którym moc wyjściowa na tych częstotliwościach będzie równa połowie oryginalnej mocy. Dlatego punkty -3dB służą do analizy tłumienia sygnałów dla filtrów. Jeśli punkty -3 dB na wyjściowym wykresie odpowiadają zakresowi pasmowoprzepustowemu, scena działa prawidłowo.

Na tym etapie można przeprowadzić dodatkową analizę statystyczną, biorąc pod uwagę tolerancje rezystorów i modyfikując wartości rezystorów i kondensatorów o +5% i -5%, aby zobaczyć, jak wpływa to na obie eksperymentalne częstotliwości odcięcia.

Krok 7: Złóż pełny system EKG

Na koniec, gdy wszystkie trzy etapy zostaną potwierdzone, że działają prawidłowo, umieść wszystkie trzy etapy EKG razem i ostateczny wynik jest gotowy. Symulowana fala EKG może być wprowadzona do stopnia wzmacniacza oprzyrządowania, a wyjściowa fala powinna być wzmocnioną falą EKG.