Simulovaný obvod EKG: 7 krokov

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

Elektrokardiogram je bežný test, ktorý sa používa pri štandardných vyšetreniach aj pri diagnostike závažných chorôb. Toto zariadenie, známe ako EKG, meria elektrické signály v tele zodpovedné za reguláciu srdcového tepu. Test sa vykonáva aplikáciou elektród na pokožku subjektu a sledovaním výstupu, ktorý má formu známeho zobrazeného priebehu EKG. Tento priebeh obsahuje vlnu P, komplex QRS a vlnu T, z ktorých každá predstavuje fyziologickú odpoveď. Táto príručka prejde krokmi simulácie EKG v softvéri na simuláciu obvodu.

Zásoby:

LTSpice alebo podobný simulátor obvodu

Krok 1: Zostavte zosilňovač prístrojov

Účelom prístrojového zosilňovača je zosilniť veľmi malý signál, ktorý je často obklopený vysokou úrovňou šumu. Napätie vstupného signálu do EMG je typicky medzi 1 mV až 5 mV a účelom tejto fázy je zosilniť tento signál so ziskom približne 1 000. Schematicky znázornené je, že zisk je možné ovládať nasledujúcou rovnicou, kde R1 = R2, R4 = R5 a R6 = R7:

Zisk = K1*K2, kde K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

Zisk bol preto nastavený na hodnotu 1000, takže K1 a K2 sú približne 31,6. Niektoré odpory je možné zvoliť ľubovoľne a iné vypočítať, pokiaľ je rovnica zosilnenia splnená na hodnotu 1 000. Vo fyzickom obvode by elektródy prešli do operačných zosilňovačov, ale na účely simulácie je jeden uzemnený a druhý sa používa na označenie. potenciálny rozdiel. Uzol Vin bude použitý na neskoršiu simuláciu vstupných vĺn. Uzol Vout vedie k ďalšej fáze EKG. Bol zvolený operačný zosilňovač LTC1151, ktorý je umiestnený v knižnici LTSpice, má vysoké CMRR a bol použitý v lekárskom prístrojovom vybavení. V tomto systéme by fungoval akýkoľvek základný operačný zosilňovač s napájacím napätím +15V a -15V.

Krok 2: Vytvorte filter zárezu

Ďalšou fázou EKG je zárezový filter na odfiltrovanie rušenia elektrického vedenia, ktoré sa vyskytuje pri frekvencii 60 Hz. Zárezový filter funguje tak, že odstráni malý rozsah signálov, ktoré sa vyskytujú veľmi blízko singulárnej frekvencie. Preto pomocou medznej frekvencie 60 Hz a rovnice medznej frekvencie je možné zvoliť vhodné odpory a kondenzátory. Použitím schémy uvedenej vyššie a s poznámkou, že C = C1 = C2, C3 = 2*C1, R = R10 a R8 = R9 = 2*R10, je možné hodnoty kondenzátora zvoliť ľubovoľne (Príklad ukazuje zvolený kondenzátor 1uF). Pomocou nasledujúcej rovnice je možné vypočítať a použiť v tomto štádiu vhodné hodnoty odporu:

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

Uzol Vin je výstupom zo zosilňovača prístrojov a uzol Vout vedie do ďalšej fázy.

Krok 3: Vytvorte pásmový filter

Posledná etapa systému pozostáva z aktívneho pásmového filtra na odstránenie šumu nad a pod určitým rozsahom frekvencií. Základné putovanie, spôsobené základňou signálu meniacou sa v čase, sa vyskytuje pod 0,6 Hz a šum EMG spôsobený prítomnosťou svalového šumu sa vyskytuje pri frekvenciách nad 100 Hz. Preto sú tieto čísla nastavené ako medzné frekvencie. Pásmový filter pozostáva z dolnopriepustného filtra, za ktorým nasleduje hornopriepustný filter. Oba filtre však majú rovnakú medznú frekvenciu:

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

Použitím 1uF ako ľubovoľnej hodnoty kondenzátora a 0,6 a 100 ako medzných frekvencií boli hodnoty rezistora vypočítané pre príslušné časti filtra. Uzol Vin pochádza z výstupu zárezového filtra a uzol Vout je miestom, kde sa bude merať simulovaný výstup celého systému. Vo fyzickom systéme by sa tento výstup pripojil k osciloskopu alebo podobnému zobrazovaciemu zariadeniu a zobrazoval vlny EKG v reálnom čase.

Krok 4: Otestujte zosilňovač prístrojov

Ďalej bude testovaný prístrojový zosilňovač, aby sa zabezpečilo, že poskytne zisk 1000. Na tento účel zadajte sínusovú vlnu s ľubovoľnou frekvenciou a amplitúdou. Tento príklad použil amplitúdu píku 2 mV na reprezentáciu vlny EMG a frekvenciu 1 000 Hz. Simulujte prístrojový zosilňovač v softvéri na simuláciu obvodov a vykreslite vstupné a výstupné priebehy. Pomocou funkcie kurzora zaznamenajte vstupné a výstupné veličiny a vypočítajte zisk pomocou Gain = Vout/Vin. Ak je tento zisk približne 1000, táto fáza funguje správne. V tejto fáze je možné vykonať ďalšiu štatistickú analýzu s prihliadnutím na tolerancie rezistorov a úpravou hodnôt odporu o +5% a -5%, aby sa zistilo, ako ovplyvňuje výstupnú vlnu a následné zosilnenie.

Krok 5: Otestujte filter Notch

Otestujte zárezový filter vykonaním cyklu AC z rozsahu, ktorý obsahuje 60 Hz. V tomto prípade sa cyklus pohyboval od 1 Hz do 200 Hz. Výsledný graf, meraný v uzle Vout, poskytne graf zosilnenia v dB vs. frekvencia v Hz. Graf by mal začínať a končiť pri 0 dB zosilnení pri frekvenciách ďaleko od 60 Hz v oboch smeroch a veľký pokles zosilnenia by sa mal objaviť pri alebo blízko 60 Hz. To ukazuje, že signály, ktoré sa vyskytujú na tejto frekvencii, sú správne odstránené z požadovaného signálu. V tomto štádiu je možné vykonať ďalšiu štatistickú analýzu s prihliadnutím na tolerancie rezistorov a úpravou hodnôt odporu a kondenzátora o +5% a -5%, aby sa zistilo, ako to ovplyvňuje experimentálnu medznú frekvenciu (frekvencia, ktorá graficky zažíva najväčší útlm).

Krok 6: Otestujte pásmový filter

Nakoniec otestujte pásmový filter vykonaním ďalšej analýzy striedavého prúdu. Tentoraz by mala byť frekvencia ťahu menšia ako 0,6 a väčšia ako 100, aby bolo zaistené, že pásmový priechod je možné vidieť graficky. Opäť spustite analýzu meraním v uzle Vout znázornenom na schéme. Výstup by mal vyzerať ako na obrázku vyššie, kde je zosilnenie záporné, ďalej od 0,6-100 Hz. Body, v ktorých je zosilnenie -3 dB, by mali byť 0,6 a 100 Hz alebo hodnoty veľmi blízke hodnotám pre prvý a druhý bod. Body -3 dB znamenajú, keď je signál zoslabený do bodu, kde bude výstup pri týchto frekvenciách polovičný ako pôvodný výkon. Body -3 dB sa preto používajú na analýzu útlmu signálov pre filtre. Ak sa body -3dB na výstupnom grafe zhodujú s pásmovým rozsahom, stupeň funguje správne.

V tomto štádiu je možné vykonať ďalšiu štatistickú analýzu s prihliadnutím na tolerancie rezistorov a úpravou hodnôt odporu a kondenzátora o +5% a -5%, aby sa zistilo, ako to ovplyvňuje obe experimentálne medzné frekvencie.

Krok 7: Zostavte kompletný systém EKG

Nakoniec, keď sa potvrdí, že všetky tri fázy fungujú správne, spojte všetky tri fázy EKG dohromady a konečný výsledok je hotový. Simulovanú vlnu EKG je možné vložiť do stupňa zosilňovača prístrojov a na výstupe by mala byť zosilnená vlna EKG.