Automatizirani simulator EKG kruga: 4 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:04

Elektrokardiogram (EKG) je moćna tehnika koja se koristi za mjerenje električne aktivnosti srca pacijenta. Jedinstven oblik ovih električnih potencijala razlikuje se ovisno o lokaciji elektroda za snimanje i korišten je za otkrivanje mnogih stanja. Uz rano otkrivanje različitih srčanih oboljenja, liječnici mogu svojim pacijentima dati mnoštvo preporuka koje se odnose na njihovu situaciju. Ova mašina sastoji se od tri glavne komponente: instrumentacijskog pojačala nakon kojeg slijedi urezani filter i filtranog pojasa. Cilj ovih dijelova je pojačati dolazne signale, ukloniti neželjene signale i proslijediti sve relevantne biološke signale. Analiza rezultirajućeg sistema pokazala je da elektrokardiogram, kako se očekivalo, obavlja svoje željene zadatke da proizvede upotrebljiv EKG signal, pokazujući njegovu korisnost za otkrivanje srčanih oboljenja.

Potrošni materijal:

• LTSpice softver
• EKG signalne datoteke

Korak 1: Instrumentacijsko pojačalo

Instrumentacijsko pojačalo, ponekad skraćeno INA, koristi se za pojačavanje niskih bioloških signala koje promatra pacijent. Tipična INA se sastoji od tri operativna pojačala (op pojačala). Dva op-pojačala trebaju biti u neinvertirajućoj konfiguraciji, a posljednje op-pojačala u diferencijalnoj konfiguraciji. Uz op pojačala koristi se sedam otpornika koji nam omogućuju da mijenjamo dobit promjenom veličina otpornika. Od otpornika postoje tri para i jedna pojedinačna veličina.

Za ovaj projekt iskoristit ću dobitak od 1000 za pojačavanje signala. Zatim ću izabrati proizvoljne vrijednosti R2, R3 i R4 (najjednostavnije je ako su R3 i R4 ekvivalentne veličine jer bi se poništile na 1, utirući put za lakše proračune). Odavde mogu riješiti da R1 ima sve potrebne veličine komponenti.

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

Koristeći gornju jednačinu pojačanja i vrijednosti R2 = 50kΩ i R3 = R4 = 10kΩ, dobivamo R1 = 100Ω.

Da bismo provjerili je li dobitak u stvari 1000, možemo pokrenuti kolo sa.ac sweep funkcijom i promatrati gdje se nalazi plato. U ovom slučaju to je 60 dB. Koristeći donju jednadžbu, možemo pretvoriti dB u bezdimenzionalni Vout/Vin, što na kraju iznosi 1000, kako se očekivalo.

Pojačanje, dB = 20*log (Vout/Vin)

Korak 2: Notch filter

Sljedeća komponenta koju treba dizajnirati je urezani filter. Vrijednost komponenti za ovaj filter uvelike ovisi o frekvenciji koju želite izrezati. Za ovaj dizajn želimo izrezati frekvenciju od 60 Hz (fc) koju oslobađaju medicinski instrumenti.

U ovom dizajnu koristi se dvostruki filter sa zarezima kako bi se osiguralo da će se izrezati samo željene i da nećemo slučajno umanjiti željene biološke frekvencije blizu oznake 60 Hz. Vrijednosti komponenti su pronađene odabirom proizvoljnih vrijednosti otpornika, od kojih sam odabrao da koristim 2kΩ za niskopropusni filter (gornji T) i 1 kΩ za visokopropusni filter (donji T). Koristeći donju jednadžbu, riješio sam potrebne vrijednosti kondenzatora.

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

Bode grafikon je ponovno pronađen pomoću.ac sweep funkcije koju nudi LTSpice.

Korak 3: Band Pass filter

Završna komponenta automatiziranog EKG sistema potrebna je za prenošenje bioloških frekvencija jer nas to zanima. Tipični EKG signal javlja se između 0,5 Hz i 150 Hz (fc), pa se mogu koristiti dva filtera; bilo pojasni prolaz ili niskopropusni filter. U ovom dizajnu je korišten pojasni propusni filter koji je malo precizniji od niskopropusnog, iako bi on ipak radio jer biološke frekvencije općenito nemaju visoke frekvencije.

Band pass filter sadrži dva dijela: visokopropusni filter i niskopropusni filter. Visokopropusni filter dolazi prije Op pojačala, a niskopropusni je nakon. Upamtite da se mogu koristiti različiti dizajni propusnih pojasa.

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

Još jednom se mogu izabrati proizvoljne vrijednosti kako bi se pronašle potrebne vrijednosti drugih dijelova. U zadnjem filtru sam odabrao proizvoljne vrijednosti otpornika i riješio vrijednosti kondenzatora. Kako bih pokazao da nije važno s kojim započinjete, sada ću izabrati proizvoljne vrijednosti kondenzatora koje treba riješiti za vrijednosti otpornika. U ovom slučaju odabrao sam vrijednost kondenzatora od 1uF. Koristeći gornju jednadžbu, koristim jednu graničnu frekvenciju odjednom za rješavanje odgovarajućeg otpornika. Radi jednostavnosti, upotrijebit ću istu vrijednost kondenzatora i za visokopropusne i za niskopropusne dijelove za propusni filtar. 0,5 Hz će se koristiti za rješavanje visokopropusnog otpornika, a granična frekvencija od 150 Hz će se koristiti za pronalaženje niskopropusnog otpornika.

Bodeov grafikon se može ponovo koristiti za provjeru je li dizajn kola funkcionirao na odgovarajući način.

Korak 4: Potpuni sistem

Nakon što se provjeri da svaka komponenta radi samostalno, dijelovi se mogu kombinirati u jedan sistem. Koristeći uvezene podatke EKG -a i funkciju PWL u generatoru izvora napona, možete pokrenuti simulacije kako biste bili sigurni da sistem pravilno pojačava i propušta željene biološke frekvencije.

Snimka ekrana gornjeg grafikona je primjer kako izlazni podaci izgledaju koristeći.tran funkciju, a donji snimak ekrana je odgovarajući prikaz crteža pomoću funkcije.ac.

Mogu se preuzeti različiti ulazni podaci EKG -a (dvije različite ulazne datoteke EKG -a dodane su ovoj stranici) i staviti u funkciju za testiranje sistema na različitim modeliranim pacijentima.