Automatizált EKG áramkör szimulátor: 4 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:39

Az elektrokardiogram (EKG) hatékony módszer a páciens szívének elektromos aktivitásának mérésére. Ezeknek az elektromos potenciáloknak az egyedi alakja a rögzítőelektródák helyétől függően eltérő, és számos körülményt észleltek. A különböző szívbetegségek korai felismerésével az orvosok számos javaslattal láthatják el betegeiket a helyzetükkel kapcsolatban. Ez a gép három fő komponensből áll: egy műszeres erősítőből, amelyet egy bevágásos szűrő és egy sáváteresztő szűrő követ. Ezen részek célja a bejövő jelek felerősítése, a nem kívánt jelek eltávolítása és az összes releváns biológiai jel továbbítása. Az eredményül kapott rendszer elemzése bebizonyította, hogy az elektrokardiogram a várakozásoknak megfelelően elvégzi a kívánt feladatait, hogy használható EKG jelet állítson elő, ami bizonyítja hasznosságát a szívbetegségek kimutatásában.

Kellékek:

• LTSpice szoftver
• EKG jelfájlok

Lépés: Műszeres erősítő

A műszeres erősítő, néha rövidítve INA, a páciens által észlelt alacsony szintű biológiai jelek felerősítésére szolgál. Egy tipikus INA három műveleti erősítőből (Op Amper) áll. Két operősítőnek nem invertáló konfigurációban kell lennie, az utolsó op erősítőnek pedig differenciál konfigurációban. Hét ellenállást használnak az Op erősítők mellett, hogy lehetővé tegyük az erősítés változtatását az ellenállás értékének megváltoztatásával. Az ellenállások közül három pár és egy egyedi méret van.

Ehhez a projekthez 1000 erősítést fogok használni a jelek erősítésére. Ezután tetszőleges R2, R3 és R4 értékeket fogok választani (a legegyszerűbb, ha R3 és R4 ekvivalens méretűek, mert az egyszerűbb számítások érdekében 1 -ig törlődnének). Innentől meg tudom oldani, hogy az R1 rendelkezik minden szükséges alkatrészmérettel.

Nyereség = (1 + 2R2/R1) * (R4/R3)

A fenti erősítési egyenletet és az R2 = 50kΩ és R3 = R4 = 10kΩ értékeket használva R1 = 100Ω értéket kapunk.

Annak ellenőrzésére, hogy a nyereség valójában 1000, futtathatjuk az áramkört.ac sweep funkcióval, és megfigyelhetjük, hogy hol fordul elő a fennsík. Ebben az esetben 60 dB. Az alábbi egyenlet segítségével a dB -t dimenzió nélküli Vout/Vin -vé alakíthatjuk át, ami a várt módon 1000 lesz.

Nyereség, dB = 20*log (Vout/Vin)

2. lépés: Vágásszűrő

A következő tervezendő alkatrész a horonyszűrő. A szűrő alkatrészeinek értéke nagymértékben függ attól, hogy milyen frekvenciát szeretne kivágni. Ehhez a kialakításhoz szeretnénk kivágni az orvosi műszerek által kibocsátott 60 Hz -es frekvenciát (fc).

Ebben a kialakításban egy iker-t bemetszéses szűrőt használnak annak biztosítására, hogy csak a kívánt vágódjon ki, és ne véletlenül csökkentsük a kívánt biológiai frekvenciákat a 60 Hz-es jel közelében. Az alkatrészértékeket tetszőleges ellenállásértékek kiválasztásával találták meg, amelyek közül 2 kΩ -ot választottam az aluláteresztő szűrőhöz (felső T) és 1 kΩ a felüláteresztő szűrőhöz (alsó T). Az alábbi egyenletet felhasználva megoldottam a szükséges kondenzátor értékeket.

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

A Bode -diagramot ismét megtaláltuk az LTSpice által kínált.ac sweep funkcióval.

3. lépés: Sávszűrő

Az automatizált EKG rendszer utolsó komponensére szükség van a biológiai frekvenciák átviteléhez, mivel ez érdekel minket. A tipikus EKG jel 0,5 Hz és 150 Hz (fc) között fordul elő, ezért két szűrő használható; sávszűrő vagy aluláteresztő szűrő. Ebben a kialakításban egy sávszűrőt használtak, mivel ez egy kicsit pontosabb, mint az aluláteresztő, bár ez még mindig működik, mivel a biológiai frekvenciák általában nem rendelkeznek magas frekvenciákkal.

A sávszűrő két részből áll: egy felüláteresztő szűrőből és egy aluláteresztő szűrőből. A felüláteresztő szűrő az operősítő előtt, az aluláteresztés pedig utána következik. Ne feledje, hogy sokféle sávszűrő használható.

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

Ismét tetszőleges értékeket kell választani, hogy megtaláljuk a többi rész szükséges értékeit. Az utolsó szűrőben tetszőleges ellenállásértékeket választottam, és megoldottam a kondenzátor értékekhez. Annak demonstrálására, hogy nem mindegy, hogy melyikkel kezdi, most tetszőleges kondenzátorértékeket választok az ellenállás értékeihez. Ebben az esetben 1uF kondenzátor értéket választottam. A fenti egyenletet használva egyszerre egy határfrekvenciát használok a megfelelő ellenállás megoldásához. Az egyszerűség kedvéért ugyanazt a kondenzátor értéket fogom használni a sávszűrő felső és aluláteresztő részeihez. A 0,5 Hz -t használják a felüláteresztő ellenállás megoldására, a 150 Hz -es határfrekvenciát pedig az aluláteresztő ellenállás megtalálására.

A Bode -diagram ismét használható annak ellenőrzésére, hogy az áramkör tervezése megfelelően működik -e.

4. lépés: Teljes rendszer

Miután ellenőrizte, hogy minden alkatrész önállóan működik, az alkatrészek egy rendszerbe egyesíthetők. Az importált EKG adatok és a feszültségforrás -generátor PWL funkciójának használatával szimulációkat futtathat annak biztosítására, hogy a rendszer megfelelően erősítse és adja át a kívánt biológiai frekvenciákat.

A felső grafikon képernyőkép egy példa arra, hogy a kimeneti adatok hogyan néznek ki.tran függvény használatával, az alsó grafikon pedig az.ac függvényt használó megfelelő kóddiagram.

Különböző bemeneti EKG adatok tölthetők le (két különböző EKG bemeneti fájl került hozzáadásra erre az oldalra), és bevihetők a funkcióba, hogy teszteljék a rendszert különböző modellezett pácienseken.