Automatisert EKG -kretssimulator: 4 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:20

Et elektrokardiogram (EKG) er en kraftig teknikk som brukes til å måle den elektriske aktiviteten til pasientens hjerte. Den unike formen til disse elektriske potensialene varierer avhengig av plasseringen av opptakselektroder og har blitt brukt til å oppdage mange forhold. Med tidlig oppdagelse av en rekke hjertesykdommer, kan leger gi pasientene sine en rekke anbefalinger som adresserer deres situasjon. Denne maskinen består av tre hovedkomponenter: en instrumenteringsforsterker etterfulgt av et hakkfilter og et båndpassfilter. Målet med disse delene er å forsterke de innkommende signalene, fjerne uønskede signaler og passere alle relevante biologiske signaler. Analyse av det resulterende systemet viste at elektrokardiogrammet, som forventet, utfører de ønskede oppgavene for å produsere et brukbart EKG -signal, og viser at det er nyttig for å oppdage hjertesykdommer.

Rekvisita:

• LTSpice -programvare
• EKG -signalfiler

Trinn 1: Instrumentasjonsforsterker

Instrumenteringsforsterkeren, noen ganger forkortet INA, brukes til å forsterke de lave, biologiske signalene som observeres fra pasienten. En typisk INA består av tre operasjonsforsterkere (Op Amps). To op-forsterkere bør være i den ikke-inverterende konfigurasjonen og den siste op-forsterkeren i differensialkonfigurasjonen. Sju motstander brukes sammen med Op -forsterkere for å tillate oss å variere gevinsten ved å endre størrelsen på motstandsverdien. Av motstandene er det tre par og en individuell størrelse.

For dette prosjektet vil jeg bruke en gevinst på 1000 for å forsterke signalene. Jeg vil da velge vilkårlige R2-, R3- og R4 -verdier (det er lettest hvis R3 og R4 er like store i størrelse fordi de ville avbryte til 1, som baner vei for enklere beregninger). Herfra kan jeg løse for R1 for å ha alle nødvendige komponentstørrelser.

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

Ved å bruke forsterkningsligningen ovenfor og verdiene R2 = 50kΩ og R3 = R4 = 10kΩ, får vi R1 = 100Ω.

For å kontrollere at gevinsten faktisk er 1000, kan vi kjøre kretsen med en.ac feiefunksjon og observere hvor platået oppstår. I dette tilfellet er det 60 dB. Ved å bruke ligningen nedenfor kan vi konvertere dB til dimensjonsløs Vout/Vin, som ender opp med å bli 1000, som forventet.

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

Trinn 2: Hakkfilter

Den neste komponenten som skal designes er hakkfilteret. Verdien av komponenter for dette filteret avhenger i stor grad av hvilken frekvens du ønsker å hakke ut. For dette designet ønsker vi å kutte ut 60 Hz -frekvensen (fc) som frigjøres av medisinsk instrumentering.

Et dobbelt-t hakkfilter som brukes i denne designen for å sikre at bare det ønskede blir kuttet ut, og at vi ikke ved et uhell vil dempe ønskede biologiske frekvenser nær 60 Hz-merket. Komponentverdiene ble funnet ved å velge vilkårlige motstandsverdier, hvorav jeg valgte å bruke 2kΩ for lavpassfilteret (topp T) og 1kΩ for høypassfilteret (nederste T). Ved å bruke ligningen nedenfor, løste jeg de nødvendige kondensatorverdiene.

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

Bode -plottet ble igjen funnet ved hjelp av.ac -feiefunksjonen som LTSpice tilbyr.

Trinn 3: Band Pass Filter

Den siste komponenten til det automatiserte EKG -systemet er nødvendig for å passere biologiske frekvenser siden det er det vi er interessert i. Det typiske EKG -signalet oppstår mellom 0,5 Hz og 150 Hz (fc), derfor kan to filtre brukes; enten et bandpassfilter eller et lavpassfilter. I denne designen ble det brukt et båndpassfilter ettersom det er litt mer presist enn lavpasset, selv om det fortsatt ville fungere siden biologiske frekvenser generelt sett ikke har høye frekvenser.

Et båndpassfilter inneholder to deler: et høypassfilter og et lavpassfilter. Høypassfilteret kommer før Op Amp og lavpasset er etter. Husk at det finnes en rekke bandpassfilterdesigner som kan brukes.

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

Nok en gang må vilkårlige verdier velges for å finne de nødvendige verdiene til andre deler. I det siste filteret valgte jeg vilkårlige motstandsverdier og løste for kondensatorverdiene. For å demonstrere at det ikke spiller noen rolle hvilken du starter med, vil jeg nå velge vilkårlige kondensatorverdier som skal løses for motstandsverdiene. I dette tilfellet valgte jeg en kondensatorverdi på 1uF. Ved å bruke ligningen ovenfor bruker jeg en grensefrekvens om gangen for å løse for den respektive motstanden. For enkelhets skyld vil jeg bruke den samme kondensatorverdien for både høy- og lavpass -deler til båndpassfilteret. 0,5 Hz vil bli brukt til å løse for høypassmotstanden og 150 Hz cutoff -frekvens brukes til å finne lavpassmotstanden.

Et Bode -tomt kan igjen brukes til å se om kretsdesignet fungerte riktig.

Trinn 4: Fullt system

Etter at hver komponent er verifisert for å fungere alene, kan delene kombineres til ett system. Ved å bruke importerte EKG -data og PWL -funksjonen i spenningskildegeneratoren kan du kjøre simuleringer for å sikre at systemet forsterker og passerer de ønskede biologiske frekvensene.

Det øverste plottskjermbildet er et eksempel på hvordan utdataene ser ut ved hjelp av en.tran -funksjon og det nederste plottskjermbildet er det respektive bodeplottet som bruker.ac -funksjonen.

Ulike inngang -EKG -data kan lastes ned (to forskjellige EKG -inngangsfiler er lagt til på denne siden) og brakt inn i funksjonen for å teste systemet på forskjellige modellerte pasienter.