Simulert EKG -krets: 7 trinn

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

Et elektrokardiogram er en vanlig test som brukes i både standardundersøkelser og diagnoser av alvorlige sykdommer. Denne enheten, kjent som et EKG, måler de elektriske signalene i kroppen som er ansvarlig for å regulere hjerterytmen. Testen administreres ved å påføre elektroder på individets hud og observere utgangen, som tar form av den viste EKG -bølgeformen. Denne bølgeformen inneholder en P -bølge, QRS -kompleks og T -bølge som hver representerer en fysiologisk respons. Denne guiden vil gå gjennom trinnene for å simulere et EKG i en kretssimuleringsprogramvare.

Rekvisita:

LTSpice eller lignende kretssimulator

Trinn 1: Bygg en instrumenteringsforsterker

Formålet med en instrumenteringsforsterker er å forsterke et veldig lite signal som ofte er omgitt av høye støynivåer. Spenningen til inngangssignalet til en EMG er vanligvis mellom 1 mV til 5 mV, og formålet med dette trinnet er å forsterke det signalet med en forsterkning på omtrent 1000. Vist i skjematisk kan forsterkningen styres av følgende ligning hvor R1 = R2, R4 = R5 og R6 = R7:

Gevinst = K1*K2, hvor K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

Gevinsten ble derfor satt til 1000, så K1 og K2 er omtrent 31,6. Noen motstander kan velges vilkårlig og andre beregnes, så lenge forsterkningsligningen er tilfredsstilt til 1000. I en fysisk krets vil elektrodene gå inn i operasjonsforsterkere, men for simuleringsformål er den ene jordet og den andre brukes til å betegne potensialforskjellen. Vin -noden vil bli brukt til senere å simulere inngangsbølger. Vout -noden fører til neste trinn i EKG. En LTC1151 operasjonsforsterker ble valgt ettersom den ligger i LTSpice -biblioteket, har en høy CMRR og har blitt brukt i medisinsk instrumentering. Enhver grunnleggende operasjonsforsterker med forsyningsspenning på +15V og -15V vil fungere i dette systemet.

Trinn 2: Bygg et hakkfilter

Det neste trinnet i EKG er et hakkfilter for å filtrere ut forstyrrelser i kraftledningen som oppstår med en frekvens på 60 Hz. Et hakkfilter fungerer ved å fjerne et lite signalområde som oppstår på nær en frekvens. Derfor kan passende motstander og kondensatorer velges ved å bruke en cutoff -frekvens på 60 Hz og cutoff -frekvensligningen. Ved å bruke skjemaet ovenfor og merke at C = C1 = C2, C3 = 2*C1, R = R10 og R8 = R9 = 2*R10, kan kondensatorverdier velges vilkårlig (eksemplet viser en 1uF kondensator valgt). Ved å bruke følgende ligning kan passende motstandsverdier beregnes og brukes i dette stadiet:

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

Vin -noden er utgangen fra instrumenteringsforsterkeren og Vout -noden leder til neste trinn.

Trinn 3: Bygg et båndpassfilter

Den siste fasen av systemet består av et aktivt båndpassfilter for å fjerne støy over og under et bestemt frekvensområde. Baseline -vandring, forårsaket av grunnlinjen for signalet som varierer med tiden, forekommer under 0,6 Hz og EMG -støy, forårsaket av tilstedeværelse av muskelstøy, forekommer ved frekvenser over 100 Hz. Derfor er disse tallene satt som cutoff -frekvenser. Båndpassfilteret består av et lavpassfilter etterfulgt av et høypassfilter. Begge filtrene har imidlertid samme cutoff -frekvens:

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

Ved bruk av 1uF som en vilkårlig kondensatorverdi, og 0,6 og 100 som cutoff -frekvenser, ble motstandsverdiene beregnet for de passende delene av filteret. Vin -noden kommer fra utdataene fra hakkfilteret og Vout -noden er der den simulerte utgangen til hele systemet vil bli målt. I et fysisk system vil denne utgangen koble til et oscilloskop eller lignende displayenhet for å se EKG -bølgene i sanntid.

Trinn 4: Test instrumentasjonsforsterkeren

Deretter vil instrumenteringsforsterkeren bli testet for å sikre at den gir en gevinst på 1000. For å gjøre dette må du legge inn en sinusformet bølge ved en vilkårlig frekvens og amplitude. Dette eksemplet brukte en 2mV topp til topp amplitude for å representere en EMG -bølge og en frekvens på 1000 Hz. Simuler instrumenteringsforsterkeren i kretssimuleringsprogramvaren og plott inngangs- og utgangsbølgeformene. Ved hjelp av en markørfunksjon registrerer du inndata og utgangsstørrelser, og beregner forsterkningen med Gain = Vout/Vin. Hvis denne gevinsten er omtrent 1000, fungerer dette stadiet som det skal. Ytterligere statistisk analyse kan utføres på dette stadiet ved å ta hensyn til motstandstoleranser og modifisere motstandsverdier med +5% og -5% for å se hvordan det påvirker utgangsbølgen og påfølgende forsterkning.

Trinn 5: Test hakkfilteret

Test hakkfilteret ved å utføre et vekselstrømssvep fra et område som inneholder 60 Hz. I dette eksemplet ble feien kjørt fra 1 Hz til 200 Hz. Det resulterende plottet, målt ved Vout -noden, sender ut en graf for forsterkning i dB mot frekvens i Hz. Grafen skal begynne og slutte med en 0 dB forsterkning ved frekvenser langt fra 60 Hz i begge retninger, og et stort fall i forsterkningen skal vises ved eller veldig nær 60 Hz. Dette viser at signaler som oppstår med denne frekvensen fjernes riktig fra det ønskede signalet. Ytterligere statistisk analyse kan utføres på dette stadiet ved å ta hensyn til motstandstoleranser og modifisere motstands- og kondensatorverdier med +5% og -5% for å se hvordan det påvirker den eksperimentelle grensefrekvensen (frekvensen som opplever mest demping grafisk).

Trinn 6: Test båndpassfilteret

Til slutt, test båndpassfilteret ved å utføre en ny AC feie -analyse. Denne gangen bør feien være fra en frekvens mindre enn 0,6 og større enn 100 for å sikre at båndpasset kan sees grafisk. Igjen, kjør analysen ved å måle ved Vout -noden vist i skjematisk. Utgangen skal se ut som figuren der forsterkningen er negativ, jo lenger fra 0,6-100Hz-området. Punktene der forsterkningen er -3dB skal være 0,6 og 100 Hz, eller verdier som er veldig nær dem for henholdsvis det første og andre punktet. -3dB -punktene betyr når et signal dempes til punktet der utgangen ved disse frekvensene vil være halvparten av den opprinnelige effekten. Derfor brukes -3dB -punktene til å analysere demping av signaler for filtre. Hvis -3dB -punktene på den utsendte grafen samsvarer med båndpassområdet, fungerer scenen som den skal.

Ytterligere statistisk analyse kan utføres på dette stadiet ved å ta hensyn til motstandstoleranser og endre motstands- og kondensatorverdier med +5% og -5% for å se hvordan det påvirker begge eksperimentelle cutoff -frekvenser.

Trinn 7: Sett sammen hele EKG -systemet

Til slutt, når alle tre stadier er bekreftet å fungere skikkelig, plasserer du alle tre stadiene av EKG sammen og det endelige resultatet er gjort. En simulert EKG -bølge kan settes inn i instrumenteringsforsterkerstadiet, og den utsendte bølgen bør være en forsterket EKG -bølge.