Automatický model obvodu EKG: 4 kroky

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2025-01-23 15:05

Cieľom tohto projektu je vytvoriť obvodový model s viacerými komponentmi, ktoré môžu primerane zosilniť a filtrovať prichádzajúci signál EKG. Tri komponenty budú modelované jednotlivo: prístrojový zosilňovač, aktívny zárezový filter a pasívny pásmový filter. Skombinujú sa, aby vytvorili konečný model obvodu EKG. Všetky modelovanie a testovanie obvodov prebiehalo v LTspice, ale fungovať by mohli aj iné programy na simuláciu obvodov.

Krok 1: Zosilňovač prístrojov

Toto bude prvý komponent celého modelu EKG. Jeho účelom je zosilniť prichádzajúci signál EKG, ktorý bude mať spočiatku veľmi nízke napätie. Rozhodol som sa použiť kombinované operačné zosilňovače a odporové komponenty spôsobom, ktorý by priniesol zisk 1 000. Prvý obrázok ukazuje dizajn zosilňovača prístrojov modelovaný v LTspice. Druhý obrázok ukazuje relevantné rovnice a vykonané výpočty. Po úplnom modelovaní bola v LTspice vykonaná prechodová analýza sínusového vstupného signálu 1 mV pri 75 Hz, aby sa potvrdil zisk 1000. Tretí obrázok ukazuje výsledky tejto analýzy.

Krok 2: Aktívny filter zárezu

Toto bude druhý komponent celého modelu EKG. Jeho účelom je stlmiť signály s frekvenciou 60 Hz, čo je frekvencia rušenia striedavého sieťového napätia. Toto skresľuje signály EKG a je zvyčajne prítomné vo všetkých klinických podmienkach. Rozhodol som sa použiť kombináciu operačného zosilňovača s odporovými a kapacitnými komponentmi v konfigurácii dvojitého zárezového filtra. Prvý obrázok zobrazuje návrh zárezového filtra podľa vzoru v LTspice. Druhý obrázok ukazuje relevantné rovnice a vykonané výpočty. Po úplnom modelovaní sa vykonalo striedanie sínusového vstupného signálu 1 V od 1 Hz do 100 kHz v LTspice, aby sa potvrdil zárez pri 60 Hz. Tretí obrázok ukazuje výsledky tejto analýzy. Mierna odchýlka vo výsledkoch simulácie v porovnaní s očakávanými výsledkami je pravdepodobne spôsobená zaokrúhľovaním pri výpočte odporových a kapacitných zložiek tohto obvodu.

Krok 3: Pasívny pásmový filter

Toto bude tretí komponent celého modelu EKG. Cieľom je odfiltrovať signály, ktoré nie sú v rozsahu 0,05 Hz - 250 Hz, pretože ide o rozsah typického EKG pre dospelých. Rozhodol som sa použiť kombinované odporové a kapacitné komponenty, takže horná hranica by bola 0,05 Hz a dolná hranica by bola 250 Hz. Prvý obrázok ukazuje dizajn pasívneho pásmového filtra podľa LTspice. Druhý obrázok ukazuje relevantné rovnice a vykonané výpočty. Po úplnom modelovaní sa vykonalo striedanie sínusového vstupného signálu 1 V od 0,01 Hz do 100 kHz v LTspice, aby sa potvrdili horné a dolné medzné frekvencie. Tretí obrázok ukazuje výsledky tejto analýzy. Mierna odchýlka vo výsledkoch simulácie v porovnaní s očakávanými výsledkami je pravdepodobne spôsobená zaokrúhľovaním vykonaným pri výpočte odporových a kapacitných komponentov tohto obvodu.

Krok 4: Kombinácia komponentov obvodu

Teraz, keď boli všetky komponenty navrhnuté a testované jednotlivo, je možné ich kombinovať do série v poradí, v akom boli vytvorené. Výsledkom je úplný obvodový model EKG, ktorý najskôr obsahuje prístrojový zosilňovač na zosilnenie signálu 1000x. Potom sa použije zárezový filter na elimináciu šumu 60 Hz striedavého napätia. A nakoniec, pásmový filter neumožňuje prechod signálu, ktorý je mimo rozsah typického EKG pre dospelých (0,05 Hz - 250 Hz). Po skombinovaní, ako je znázornené na prvom obrázku, je možné v LTspice vykonať prechodovú analýzu a úplné striedanie striedavého prúdu so vstupným napätím 1 mV (sínusový), aby sa zaistilo, že komponenty spolupracujú podľa očakávania. Druhý obrázok zobrazuje výsledky prechodovej analýzy, ktoré ukazujú zosilnenie signálu od 1 mV do ~ 0,85 V. To znamená, že súčasti zárezového alebo pásmového filtra mierne zoslabujú signál potom, čo bol pôvodne 1000 -krát zosilnený prístrojovým zosilňovačom. Tretí obrázok zobrazuje výsledky striedania. Tento graf Bode zobrazuje prahové hodnoty horného a dolného priechodu, ktoré sa pri individuálnom testovaní zhodujú s hranicami v grafe Bode pásmového filtra. Mierny pokles je aj okolo 60 Hz, v ktorom filter zárezu pracuje na odstraňovaní nežiaduceho šumu.