Szimulált EKG áramkör: 7 lépés

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

Az elektrokardiogram egy gyakori teszt, amelyet mind a standard vizsgálatokban, mind a súlyos betegségek diagnosztizálásában használnak. Ez az EKG néven ismert készülék a szívverés szabályozásáért felelős testen belüli elektromos jeleket méri. A vizsgálatot úgy végezzük, hogy elektródákat viszünk fel az alany bőrére, és megfigyeljük a kimenetet, amely a bemutatott ismert EKG -hullámforma. Ez a hullámforma egy P hullámot, QRS komplexet és T hullámot tartalmaz, amelyek mindegyike egy fiziológiai választ jelent. Ez az útmutató végigvezeti az EKG szimulálásának lépéseit egy áramkörszimulációs szoftverben.

Kellékek:

LTSpice vagy hasonló áramkör szimulátor

1. lépés: Készítsen egy műszeres erősítőt

A műszeres erősítő célja egy nagyon kicsi jel erősítése, amelyet gyakran magas zajok vesznek körül. Az EMG bemeneti jelének feszültsége jellemzően 1 mV és 5 mV között van, és ennek a szakasznak az a célja, hogy erősítse ezt a jelet körülbelül 1000 erősítéssel. A sematikus ábrán látható, hogy az erősítést a következő egyenlettel lehet szabályozni R1 = R2, R4 = R5 és R6 = R7:

Nyereség = K1*K2, ahol K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

A nyereséget ezért 1000 -re állítottuk, tehát K1 és K2 körülbelül 31,6. Egyes ellenállások tetszőlegesen választhatók, mások pedig kiszámíthatók, amennyiben a nyereség egyenlete 1000 -el egyenlő. Egy fizikai áramkörben az elektródák a műveleti erősítőkbe mennének, de szimulációs célokra az egyik földelt, a másik pedig jelzésre szolgál a potenciális különbség. A Vin csomópont a bemeneti hullámok későbbi szimulálására szolgál. A Vout csomópont az EKG következő szakaszához vezet. Egy LTC1151 operációs erősítőt választottak, mivel az LTSpice könyvtárban található, magas CMRR értékkel rendelkezik, és orvosi műszerekben is használták. Ebben a rendszerben minden alapvető műveleti erősítő +15V és -15V tápfeszültséggel működik.

2. lépés: Hozzon létre egy hornyos szűrőt

Az EKG következő szakasza egy bevágásos szűrő, amely kiszűri a 60 Hz -es frekvencián fellépő hálózati vezeték interferenciáját. A bemetszéses szűrő úgy működik, hogy eltávolítja a jelek kis tartományát, amelyek nagyon közel vannak az egyes frekvenciákhoz. Ezért a 60 Hz -es határfrekvencia és a határfrekvencia -egyenlet használatával megfelelő ellenállások és kondenzátorok választhatók. A fenti vázlat segítségével és megjegyezve, hogy C = C1 = C2, C3 = 2*C1, R = R10 és R8 = R9 = 2*R10, a kondenzátor értékei tetszőlegesen választhatók (A példa 1uF kondenzátort mutat). A következő egyenlet segítségével a megfelelő ellenállásértékek kiszámíthatók és használhatók ebben a szakaszban:

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

A Vin csomópont a műszeres erősítő kimenete, a Vout csomópont pedig a következő szakaszhoz vezet.

3. lépés: Készítsen sávszűrőt

A rendszer utolsó szakasza egy aktív sávszűrőből áll, amely eltávolítja a zajokat egy bizonyos frekvenciatartomány felett és alatt. A kiindulási vándorlás, amelyet a jel időbeli változása okoz, 0,6 Hz alatt fordul elő, és az izomzaj jelenléte által okozott EMG zaj 100 Hz feletti frekvenciákon fordul elő. Ezért ezek a számok a határfrekvenciák. A sávszűrő egy aluláteresztő szűrőből és egy felüláteresztő szűrőből áll. Mindkét szűrőnek azonban ugyanaz a határfrekvenciája:

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

Az 1uF tetszőleges kondenzátor értékként, valamint 0,6 és 100 a határfrekvenciák használatával az ellenállás értékeket a szűrő megfelelő részeire számították ki. A Vin csomópont a bemetszéses szűrő kimenetéből származik, a Vout csomópont pedig a teljes rendszer szimulált kimenetét méri. Fizikai rendszerben ez a kimenet egy oszcilloszkóphoz vagy hasonló megjelenítő eszközhöz csatlakozik, hogy valós időben megtekinthesse az EKG hullámokat.

4. lépés: Tesztelje a műszeres erősítőt

Ezt követően a műszeres erősítőt tesztelik annak biztosítása érdekében, hogy valóban 1000 erősítést adjon. Ehhez adjon meg egy szinuszos hullámot tetszőleges frekvencián és amplitúdón. Ez a példa 2 mV -os csúcs -csúcs amplitúdót használt az EMG hullám és 1000 Hz frekvencia ábrázolására. Szimulálja a műszer erősítőt az áramkör szimulációs szoftverben, és ábrázolja a bemeneti és kimeneti hullámformákat. A kurzor funkció használatával rögzítse a bemeneti és kimeneti nagyságokat, és számítsa ki az erősítést Gain = Vout/Vin. Ha ez a nyereség körülbelül 1000, akkor ez a szakasz megfelelően működik. Ebben a szakaszban további statisztikai elemzések végezhetők, figyelembe véve az ellenállási tűréseket, és az ellenállások értékeit +5% és -5% -kal módosítva, hogy lássa, hogyan befolyásolja a kimeneti hullámot és az azt követő erősítést.

5. lépés: Ellenőrizze a bevágás szűrőt

Tesztelje a bemetszés szűrőt úgy, hogy 60 Hz -es tartományból váltakozó áramú sweepet hajt végre. Ebben a példában a söprést 1 Hz -től 200 Hz -ig végeztük. A kapott diagram, ha a Vout csomóponton mérik, az erősítés grafikonját adja ki dB -ben, és a frekvenciát Hz -ben. A grafikonnak 0 dB -es erősítéssel kell kezdődnie és végződnie, mindkét irányban 60 Hz -től nem messze eső frekvenciákon, és az erősítés nagy csökkenése 60 Hz -nél vagy annak közelében kell, hogy jelenjen. Ez azt mutatja, hogy az ezen a frekvencián előforduló jeleket megfelelően eltávolítják a kívánt jelből. Ebben a szakaszban további statisztikai elemzések végezhetők, figyelembe véve az ellenállási tűréseket, valamint az ellenállás és a kondenzátor értékeit +5% -kal és -5% -kal módosítva, hogy lássa, hogyan befolyásolja ez a kísérleti határfrekvenciát (azt a frekvenciát, amely grafikusan a legnagyobb csillapítást tapasztalja).

6. lépés: Ellenőrizze a sávszűrőt

Végül tesztelje a sávszűrőt egy másik AC sweep elemzéssel. Ezúttal a söprésnek 0,6 -nál kisebb és 100 -nál nagyobb frekvenciáról kell történnie, hogy a sáváteresztés grafikusan látható legyen. Ismét futtassa az elemzést a sematikus ábrán látható Vout csomóponton végzett méréssel. A kimenetnek a fenti ábra szerint kell kinéznie, ahol az erősítés negatív, annál távolabb a 0,6-100 Hz tartománytól. Azoknak a pontoknak, amelyeken az erősítés -3 dB, 0,6 és 100 Hz -nek kell lenniük, vagy nagyon közel kell lenniük az első és a második pont értékeihez. A -3dB pontok azt jelzik, ha a jel olyan mértékben gyengül, hogy a kimenet ezeken a frekvenciákon az eredeti teljesítmény fele lesz. Ezért a -3dB pontokat használják a szűrők jeleinek csillapításának elemzésére. Ha a kimeneti grafikon -3dB pontja megegyezik a sávszélesség tartományával, akkor a színpad megfelelően működik.

Ebben a szakaszban további statisztikai elemzések végezhetők, figyelembe véve az ellenállási tűréseket, valamint az ellenállás és a kondenzátor értékeit +5% -kal és -5% -kal módosítva, hogy lássa, hogyan befolyásolja ez mindkét kísérleti határfrekvenciát.

7. lépés: Állítsa össze a teljes EKG rendszert

Végül, amikor mindhárom szakasz megfelelően működik, helyezze össze az EKG mindhárom szakaszát, és kész a végeredmény. Egy szimulált EKG hullám bevihető a műszer erősítő fokozatába, és a kimenő hullámnak erősített EKG hullámnak kell lennie.