Automatický simulátor obvodu EKG: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Elektrokardiogram (EKG) je účinná metóda používaná na meranie elektrickej aktivity srdca pacienta. Unikátny tvar týchto elektrických potenciálov sa líši v závislosti od umiestnenia záznamových elektród a bol použitý na detekciu mnohých podmienok. Vďaka včasnej detekcii rôznych srdcových chorôb môžu lekári poskytnúť svojim pacientom množstvo odporúčaní, ktoré by ich situáciu riešili. Tento stroj sa skladá z troch hlavných komponentov: prístrojového zosilňovača, po ktorom nasleduje zárezový filter a pásmový filter. Cieľom týchto častí je zosilniť prichádzajúce signály, odstrániť nežiaduce signály a odovzdať všetky relevantné biologické signály. Analýza výsledného systému ukázala, že elektrokardiogram, ako sa očakávalo, plní svoje požadované úlohy na produkciu použiteľného signálu EKG, čo dokazuje jeho užitočnosť na detekciu srdcových chorôb.

Zásoby:

• Softvér LTSpice
• Súbory signálov EKG

Krok 1: Zosilňovač prístrojov

Prístrojový zosilňovač, niekedy skrátene INA, sa používa na zosilnenie nízkoúrovňových biologických signálov pozorovaných od pacienta. Typický INA pozostáva z troch operačných zosilňovačov (operačných zosilňovačov). Dva operačné zosilňovače by mali byť v neinvertujúcej konfigurácii a posledný operačný zosilňovač v diferenciálnej konfigurácii. Spolu s operačnými zosilňovačmi sa používa sedem rezistorov, ktoré nám umožňujú meniť zosilnenie zmenou veľkosti hodnôt odporu. Z odporov sú tri páry a jedna individuálna veľkosť.

V tomto projekte použijem zosilnenie 1000 na zosilnenie signálov. Potom zvolím ľubovoľné hodnoty R2, R3 a R4 (je najľahšie, ak majú veľkosti R3 a R4 rovnakú veľkosť, pretože by sa zrušili na 1, čím by sa uľahčili výpočty). Odtiaľto môžem vyriešiť, aby mal R1 všetky potrebné veľkosti komponentov.

Zisk = (1 + 2R2/R1) * (R4/R3)

Pomocou vyššie uvedenej rovnice zosilnenia a hodnôt R2 = 50kΩ a R3 = R4 = 10kΩ dostaneme R1 = 100Ω.

Aby sme skontrolovali, či je zisk v skutočnosti 1000, môžeme spustiť obvod s funkciou.ac sweep a sledovať, kde sa vyskytuje plató. V tomto prípade je to 60 dB. Použitím nižšie uvedenej rovnice môžeme dB previesť na bezrozmerné Vout/Vin, ktoré nakoniec bude podľa očakávania 1000.

Zisk, dB = 20*log (Vout/Vin)

Krok 2: Zárezový filter

Ďalším navrhovaným komponentom je drážkový filter. Hodnota komponentov pre tento filter do značnej miery závisí od toho, akú frekvenciu chcete vystrihnúť. Pre tento návrh chceme vystrihnúť frekvenciu 60 Hz (fc), ktorá je uvoľňovaná lekárskymi prístrojmi.

V tomto návrhu sa použije dvojitý zárezový filter, ktorý zaistí, že sa vyreže iba požadované, a že omylom neutlmíme požadované biologické frekvencie v blízkosti značky 60 Hz. Hodnoty súčiastok boli zistené výberom ľubovoľných hodnôt odporu, z ktorých som sa rozhodol použiť 2kΩ pre dolný priepustný filter (horný T) a 1kΩ pre horný priepustný filter (spodný T). Pomocou nižšie uvedenej rovnice som vyriešil potrebné hodnoty kondenzátora.

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

Bodeov diagram bol opäť nájdený pomocou funkcie.ac sweep, ktorú LTSpice ponúka.

Krok 3: Pásmový priepustný filter

Posledná zložka automatizovaného systému EKG je potrebná na prenos biologických frekvencií, pretože to je to, čo nás zaujíma. Typický signál EKG sa vyskytuje medzi 0,5 Hz a 150 Hz (fc), preto je možné použiť dva filtre; buď pásmový alebo dolnopriepustný filter. V tomto návrhu bol použitý pásmový filter, pretože je o niečo presnejší ako dolný priechod, aj keď ten by stále fungoval, pretože biologické frekvencie vo všeobecnosti nemajú vysoké frekvencie.

Pásmový filter obsahuje dve časti: hornopriepustný a dolnopriepustný filter. Horný priepustný filter sa nachádza pred operačným zosilňovačom a dolný priechod je za ním. Nezabudnite, že je možné použiť rôzne prevedenia pásmových filtrov.

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

Opäť platí, že na nájdenie požadovaných hodnôt iných častí sú často zvolené ľubovoľné hodnoty. V poslednom filtri som vybral ľubovoľné hodnoty odporu a vyriešil som hodnoty kondenzátora. Aby som demonštroval, že nezáleží na tom, s ktorým začnete, teraz zvolím ľubovoľné hodnoty kondenzátora na vyriešenie hodnôt odporu. V tomto prípade som vybral hodnotu kondenzátora 1uF. Použitím vyššie uvedenej rovnice používam jednu medznú frekvenciu naraz na riešenie pre príslušný odpor. Pre jednoduchosť použijem rovnakú hodnotu kondenzátora pre časti s horným aj dolným priechodom pre pásmový filter. Na vyriešenie hornopriepustného rezistora sa použije 0,5 Hz a na nájdenie dolnopriepustného odporu sa použije medzná frekvencia 150 Hz.

Bodeov diagram je možné znova použiť na zistenie, či návrh obvodu fungoval správne.

Krok 4: Úplný systém

Potom, čo sa u každého komponentu overí, že funguje sám, je možné diely kombinovať do jedného systému. Pomocou importovaných údajov EKG a funkcie PWL v generátore zdroja napätia môžete spustiť simulácie, aby ste sa presvedčili, že systém správne zosilňuje a odovzdáva požadované biologické frekvencie.

Snímka obrazovky horného grafu je príkladom toho, ako vyzerajú výstupné údaje pomocou funkcie.tran a spodná snímka obrazovky je príslušným bodovým grafom pomocou funkcie.ac.

Je možné stiahnuť rôzne vstupné údaje EKG (na túto stránku boli pridané dva rôzne vstupné súbory EKG) a vložené do funkcie na testovanie systému na rôznych modelovaných pacientoch.