Модел на автоматизирана ЕКГ верига: 4 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:49

Целта на този проект е да се създаде модел на верига с множество компоненти, които могат адекватно да усилват и филтрират входящ ЕКГ сигнал. Три компонента ще бъдат моделирани индивидуално: инструментален усилвател, активен филтър с прорези и пасивен лентов филтър. Те ще бъдат комбинирани, за да създадат окончателния модел на ЕКГ веригата. Цялото моделиране и тестване на вериги се провеждаха в LTspice, но и други програми за симулация на вериги също биха работили.

Стъпка 1: Инструментален усилвател

Това ще бъде първият компонент на пълния модел на ЕКГ. Неговата цел е да усили входящия ЕКГ сигнал, който първоначално ще има много ниско напрежение. Избрах да използвам комбинирани операционни усилватели и резистивни компоненти по начин, който да генерира печалба от 1000. Първото изображение показва дизайна на инструменталния усилвател, моделиран в LTspice. Второто изображение показва съответните уравнения и извършените изчисления. След като бъде напълно моделиран, преходният анализ на синусоидален входен сигнал от 1 mV при 75 Hz беше извършен в LTspice, за да потвърди усилване от 1000. Третото изображение показва резултатите от този анализ.

Стъпка 2: Активен Notch Filter

Това ще бъде вторият компонент на пълния модел на ЕКГ. Неговата цел е да отслабва сигнали с честота 60 Hz, която е честотата на смущенията в напрежението на променливотоковото напрежение. Това изкривява ЕКГ сигналите и обикновено присъства във всички клинични условия. Избрах да използвам комбиниран операционен усилвател с резистивни и капацитивни компоненти в конфигурация на филтър с двойно-T прорез. Първото изображение показва дизайна на филтъра с прорези, моделиран в LTspice. Второто изображение показва съответните уравнения и извършените изчисления. След като бъде напълно моделиран, се извършва променлив ток на синусоидален входен сигнал от 1 V от 1 Hz - 100 kHz в LTspice за потвърждаване на прорез при 60 Hz. Третото изображение показва резултатите от този анализ. Леките вариации в резултатите от симулацията в сравнение с очакваните резултати вероятно се дължат на закръгляването, направено при изчисляване на резистивните и капацитивните компоненти на тази верига.

Стъпка 3: Пасивен лентов филтър

Това ще бъде третият компонент на пълния модел на ЕКГ. Неговата цел е да филтрира сигнали, които не са в диапазона 0,05 Hz - 250 Hz, тъй като това е диапазонът на типична възрастна ЕКГ. Избрах да използвам комбинирани резистивни и капацитивни компоненти, така че границата на високите честоти да бъде 0,05 Hz, а нискочестотната прекъсване ще бъде 250 Hz. Първото изображение показва дизайна на пасивен лентов филтър, моделиран в LTspice. Второто изображение показва съответните уравнения и извършените изчисления. След като бъде напълно моделиран, се извършва променлив ток на синусоидален входен сигнал от 1 V от 0,01 Hz - 100 kHz в LTspice за потвърждаване на високите и нискочестотните гранични честоти. Третото изображение показва резултатите от този анализ. Леките вариации в резултатите от симулацията в сравнение с очакваните резултати вероятно се дължат на закръгляването, направено при изчисляване на резистивните и капацитивните компоненти на тази верига.

Стъпка 4: Комбиниране на компоненти на веригата

Сега, когато всички компоненти са проектирани и тествани поотделно, те могат да се комбинират последователно в реда, в който са създадени. Това води до пълен модел на ЕКГ верига, който първо съдържа инструментален усилвател за усилване на сигнала 1000x. След това се използва филтър с прорез за елиминиране на 60 Hz шум от напрежение на променливотоковото напрежение. И накрая, лентовият филтър не позволява преминаването на сигнал, който е извън обхвата на типична възрастна ЕКГ (0,05 Hz - 250 Hz). След като се комбинират, както е показано на първото изображение, може да се извърши преходен анализ и пълна AC промяна в LTspice с входно напрежение 1 mV (синусоидално), за да се гарантира, че компонентите работят заедно, както се очаква. Второто изображение показва резултатите от преходния анализ, които показват усилване на сигнала от 1 mV до ~ 0,85 V. Това означава, че компонентите на прореза или лентовия филтър леко отслабват сигнала след първоначалното му усилване 1000x от инструменталния усилвател. Третото изображение показва резултатите от разчитането на променлив ток. Този график на Bode показва прекъсвания на високите и ниските честоти, които съответстват на тези на диаграмата на Bode на лентовия филтър, когато се тестват индивидуално. Има и леко потапяне около 60 Hz, където филтърът с прорези работи за премахване на нежелания шум.