Автоматизиран симулатор на ЕКГ кръг: 4 стъпки

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

Електрокардиограма (ЕКГ) е мощна техника, използвана за измерване на електрическата активност на сърцето на пациента. Уникалната форма на тези електрически потенциали се различава в зависимост от местоположението на записващите електроди и е била използвана за откриване на много условия. С ранно откриване на различни сърдечни заболявания, лекарите могат да предоставят на пациентите си множество препоръки за справяне с тяхната ситуация. Тази машина се състои от три основни компонента: инструментален усилвател, последван от филтър с прорез и лентов филтър. Целта на тези части е да усили входящите сигнали, да премахне нежеланите сигнали и да предаде всички съответни биологични сигнали. Анализът на получената система доказа, че електрокардиограмата, както се очаква, изпълнява желаните задачи, за да произведе използваем ЕКГ сигнал, демонстрирайки нейната полезност за откриване на сърдечни състояния.

Консумативи:

• Софтуер LTSpice
• ЕКГ сигнални файлове

Стъпка 1: Инструментален усилвател

Инструменталният усилвател, понякога съкратен INA, се използва за усилване на биологични сигнали на ниско ниво, наблюдавани от пациента. Типичен INA се състои от три операционни усилвателя (Op усилватели). Две оп усилватели трябва да са в неинвертиращата конфигурация, а последният оп усилвател в диференциалната конфигурация. Успоредно с оп усилвателите се използват седем резистора, които ни позволяват да променяме усилването чрез промяна на размерите на стойностите на резистора. От резисторите има три двойки и един индивидуален размер.

За този проект ще използвам печалба от 1000 за усилване на сигналите. След това ще избера произволни стойности R2, R3 и R4 (най -лесно е, ако R3 и R4 са еквивалентни по размер, защото те биха се отменили до 1, проправяйки път за по -лесни изчисления). Оттук мога да реша R1 да има всички необходими размери на компонентите.

Усилване = (1 + 2R2/R1) * (R4/R3)

Използвайки уравнението на печалбата по -горе и стойности R2 = 50kΩ и R3 = R4 = 10kΩ, получаваме R1 = 100Ω.

За да проверим дали усилването всъщност е 1000, можем да стартираме веригата с функция.ac sweep и да наблюдаваме къде се появява платото. В този случай тя е 60 dB. Използвайки уравнението по -долу, можем да преобразуваме dB в безразмерно Vout/Vin, което в крайна сметка е 1000, както се очаква.

Усилване, dB = 20*log (Vout/Vin)

Стъпка 2: Notch Filter

Следващият компонент, който ще бъде проектиран, е филтърът с прорези. Стойността на компонентите за този филтър до голяма степен зависи от честотата, която искате да изрежете. За този дизайн искаме да изрежем 60 Hz честота (fc), която се освобождава от медицински инструменти.

В този дизайн ще бъде използван филтър с двойна прорезка, за да се гарантира, че само желаното ще бъде изрязано и че няма случайно да намалим желаните биологични честоти близо до марката 60 Hz. Стойностите на компонентите бяха намерени чрез избор на произволни стойности на резистора, от които избрах да използвам 2kΩ за нискочестотния филтър (отгоре T) и 1 kΩ за високочестотния филтър (отдолу T). Използвайки уравнението по -долу, реших за необходимите стойности на кондензатора.

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

Графикът на Bode беше намерен за пореден път с помощта на функцията.ac sweep, която LTSpice предлага.

Стъпка 3: Band Pass филтър

Крайният компонент на автоматизираната ЕКГ система е необходим за преминаване на биологични честоти, тъй като това е, което ни интересува. Типичният ЕКГ сигнал се появява между 0,5 Hz и 150 Hz (fc), поради което могат да се използват два филтъра; или лентов филтър, или нискочестотен филтър. В този дизайн беше използван лентов филтър, тъй като е малко по -прецизен от нискочестотния, въпреки че този все още ще работи, тъй като биологичните честоти по принцип нямат високи честоти.

Лентовият филтър съдържа две части: високочестотен филтър и нискочестотен филтър. Високочестотният филтър идва преди Op Amp, а нискочестотният е след. Не забравяйте, че има различни дизайни на лентови филтри, които могат да се използват.

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

Отново много произволни стойности се избират много, за да се намерят необходимите стойности на други части. В последния филтър избрах произволни стойности на резистора и реших за стойностите на кондензатора. За да демонстрирам, че няма значение с кой ще започнете, сега ще избера произволни стойности на кондензатора, които да реша за стойностите на резистора. В този случай избрах стойност на кондензатор 1uF. Използвайки горното уравнение, използвам една честота на прекъсване наведнъж, за да реша за съответния резистор. За простота ще използвам една и съща стойност на кондензатора както за високочестотните, така и за нискочестотните части към лентовия филтър. 0.5 Hz ще се използва за решаване на високочестотния резистор, а граничната честота от 150 Hz се използва за намиране на нискочестотния резистор.

Графикът на Боде може отново да се използва, за да се види дали схемата на схемата работи правилно.

Стъпка 4: Пълна система

След като всеки компонент е проверен да работи самостоятелно, частите могат да бъдат комбинирани в една система. Използвайки импортирани данни от ЕКГ и функцията PWL в генератора на източник на напрежение, можете да стартирате симулации, за да сте сигурни, че системата правилно усилва и преминава желаните биологични честоти.

Екранната снимка на горния график е пример за това как изглеждат изходните данни с помощта на.tran функция, а долната екранна снимка на графиката е съответният график на bode, използващ функцията.ac.

Могат да се изтеглят различни входни данни за ЕКГ (два различни входни файла за ЕКГ са добавени към тази страница) и да бъдат въведени във функцията за тестване на системата върху различни моделирани пациенти.