Симулирана ЕКГ верига: 7 стъпки

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

Електрокардиограмата е често срещан тест, използван както при стандартни прегледи, така и при диагностициране на сериозни заболявания. Това устройство, известно като ЕКГ, измерва електрическите сигнали в тялото, отговорни за регулирането на сърдечния ритъм. Тестът се прилага чрез прилагане на електроди върху кожата на субекта и наблюдение на изхода, който приема формата на известната показана форма на ЕКГ. Тази форма на вълна съдържа P вълна, QRS комплекс и T вълна, всяка от които представлява физиологичен отговор. Това ръководство ще премине през стъпките за симулиране на ЕКГ в софтуер за симулация на верига.

Консумативи:

LTSpice или подобен верижен симулатор

Стъпка 1: Изградете инструментален усилвател

Целта на инструменталния усилвател е да усилва много малък сигнал, който често е заобиколен от високи нива на шум. Напрежението на входния сигнал в EMG обикновено е между 1 mV до 5 mV и целта на този етап е да усили този сигнал с усилване от приблизително 1000. Показано в схемата, усилването може да се контролира чрез следното уравнение, където R1 = R2, R4 = R5 и R6 = R7:

Печалба = K1*K2, където K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

Следователно печалбата е зададена равна на 1000, така че K1 и K2 са приблизително 31,6. Някои резистори могат да бъдат избрани произволно, а други изчислени, стига уравнението на печалбата да е изпълнено на 1000. Във физическа верига електродите ще влязат в операционните усилватели, но за целите на симулацията единият е заземен, а другият се използва за означаване потенциалната разлика. Възелът Vin ще се използва за по -късно симулиране на входни вълни. Възелът Vout води до следващия етап на ЕКГ. Избран е операционен усилвател LTC1151, тъй като се намира в библиотеката LTSpice, има висок CMRR и е използван в медицинските инструменти. Всеки основен операционен усилвател с захранващо напрежение +15V и -15V ще работи в тази система.

Стъпка 2: Изградете Notch Filter

Следващият етап в ЕКГ е филтър с прорез за филтриране на смущенията в електропровода, които възникват при честота 60 Hz. Филтърът с прорези работи, като премахва малък диапазон от сигнали, които се появяват на много близка до единична честота. Следователно, чрез използване на гранична честота от 60 Hz и уравнение на граничната честота, могат да бъдат избрани подходящи резистори и кондензатори. Използвайки горната схема и отбелязвайки, че C = C1 = C2, C3 = 2*C1, R = R10 и R8 = R9 = 2*R10, стойностите на кондензатора могат да бъдат произволно избрани (Примерът показва избран кондензатор 1uF). Използвайки следното уравнение, на този етап могат да се изчислят и използват подходящи стойности на резистора:

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

Възелът Vin е изходът от инструменталния усилвател, а възелът Vout води към следващия етап.

Стъпка 3: Изградете лентов филтър

Последният етап на системата се състои от активен лентов филтър за премахване на шума над и под определен диапазон от честоти. Изходното скитане, причинено от базовата линия на сигнала, варираща във времето, се случва под 0,6 Hz и EMG шумът, причинен от наличието на мускулен шум, се случва при честоти над 100 Hz. Следователно тези числа са зададени като гранични честоти. Лентовият филтър се състои от нискочестотен филтър, последван от високочестотен филтър. И двата филтъра обаче имат една и съща честота на прекъсване:

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

Използвайки 1uF като произволна стойност на кондензатора и 0,6 и 100 като гранични честоти, стойностите на резистора бяха изчислени за подходящите части на филтъра. Възелът Vin идва от изхода на филтъра с прорези, а възелът Vout е мястото, където ще се измерва симулираният изход на цялата система. Във физическа система този изход ще се свърже с осцилоскоп или подобно дисплейно устройство за преглед на ЕКГ вълните в реално време.

Стъпка 4: Тествайте инструменталния усилвател

След това инструменталният усилвател ще бъде тестван, за да се гарантира, че той осигурява печалба от 1000. За да направите това, въведете синусоидална вълна с произволна честота и амплитуда. Този пример използва амплитуда от 2mV до връх за представяне на EMG вълна и честота от 1000 Hz. Симулирайте инструменталния усилвател в софтуера за симулация на схема и начертайте входните и изходните форми на вълната. Използвайки курсорна функция, запишете входните и изходните величини и изчислете усилването чрез Gain = Vout/Vin. Ако тази печалба е приблизително 1000, този етап работи правилно. На този етап може да се извърши допълнителен статистически анализ, като се вземат предвид допуските на резистора и се променят стойностите на резистора с +5% и -5%, за да се види как влияе на изходната вълна и последващото усилване.

Стъпка 5: Тествайте Notch Filter

Тествайте филтъра с прорези, като извършите AC прочистване от обхват, който съдържа 60 Hz. В този пример размахването се извършва от 1 Hz до 200 Hz. Полученият график, когато се измерва във възела Vout, ще изведе графика на усилване в dB спрямо честота в Hz. Графиката трябва да започне и да завърши с 0 dB усилване при честоти далеч от 60 Hz в двете посоки и голям спад в усилването трябва да се появи при или много близо до 60 Hz. Това показва, че сигналите, които се появяват на тази честота, се отстраняват правилно от желания сигнал. Допълнителен статистически анализ може да се извърши на този етап, като се вземат под внимание резисторните допуски и се променят стойностите на резистора и кондензатора с +5% и -5%, за да се види как влияе на експерименталната гранична честота (честотата, която изпитва най -много затихване графично).

Стъпка 6: Тествайте лентовия филтър

И накрая, тествайте лентовия филтър, като извършите друг анализ на AC прочистване. Този път размахването трябва да бъде от честота по -малка от 0,6 и по -голяма от 100, за да се гарантира, че честотната лента може да се види графично. Отново стартирайте анализа, като измервате на възела Vout, показан на схемата. Изходът трябва да изглежда като фигурата по-горе, където усилването е отрицателно, колкото по-далеч от диапазона 0.6-100Hz. Точките, в които усилването е -3dB, трябва да бъдат 0,6 и 100 Hz, или стойности, много близки до тези за първата и втората точки, съответно. Точките -3dB означават, когато сигнал е затихнал до точката, където изходът на тези честоти ще бъде половината от първоначалната мощност. Следователно точките -3dB се използват за анализ на затихването на сигналите за филтри. Ако точките -3dB на изведената графика съвпадат с честотния обхват, етапът работи правилно.

Допълнителен статистически анализ може да се извърши на този етап, като се вземат предвид резисторните допуски и се променят стойностите на резистора и кондензатора с +5% и -5%, за да се види как влияе на двете експериментални честоти на прекъсване.

Стъпка 7: Съберете пълната ЕКГ система

И накрая, когато се потвърди, че и трите етапа работят правилно, поставете всичките три етапа на ЕКГ заедно и крайният резултат е готов. Симулирана ЕКГ вълна може да бъде въведена в етапа на инструменталния усилвател и изходната вълна трябва да бъде усилена ЕКГ вълна.