Automatiseret EKG -kredsløbsmodel: 4 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:25

Målet med dette projekt er at skabe en kredsløbsmodel med flere komponenter, der tilstrækkeligt kan forstærke og filtrere et indkommende EKG -signal. Tre komponenter vil blive modelleret individuelt: en instrumenteringsforstærker, et aktivt hakfilter og et passivt båndpasfilter. De kombineres for at skabe den endelige EKG -kredsløbsmodel. Al kredsløbsmodellering og test blev udført i LTspice, men andre kredsløbssimuleringsprogrammer ville også fungere.

Trin 1: Instrumentforstærker

Dette vil være den første komponent i hele EKG -modellen. Dens formål er at forstærke det indgående EKG -signal, som i første omgang vil have en meget lav spænding. Jeg valgte at bruge kombinationsforstærkere og resistive komponenter på en måde, der ville give en gevinst på 1000. Det første billede viser instrumentationsforstærkerens design modelleret i LTspice. Det andet billede viser relevante ligninger og udførte beregninger. Efter fuldstændig model blev transient analyse af et sinusformet indgangssignal på 1 mV ved 75 Hz udført i LTspice for at bekræfte en gevinst på 1000. Det tredje billede viser resultaterne af denne analyse.

Trin 2: Aktiv hakfilter

Dette vil være den anden komponent i hele EKG -modellen. Dens formål er at dæmpe signaler med en frekvens på 60 Hz, hvilket er frekvensen af vekselstrømspændingsinterferens. Dette forvrænger EKG -signaler og er typisk til stede i alle kliniske indstillinger. Jeg valgte at bruge kombinere en op-amp med resistive og kapacitive komponenter i en twin-T hakfilterkonfiguration. Det første billede viser hakfilterdesignet modelleret i LTspice. Det andet billede viser relevante ligninger og udførte beregninger. Når den var fuldstændig modelleret, blev der udført en vekselstrømssvepning af et sinusformet indgangssignal på 1 V fra 1 Hz - 100 kHz i LTspice for at bekræfte et hak ved 60 Hz. Det tredje billede viser resultaterne af denne analyse. Den lille variation i simuleringsresultater i forhold til forventede resultater skyldes sandsynligvis afrunding ved beregning af de resistive og kapacitive komponenter i dette kredsløb.

Trin 3: Passivt båndpasfilter

Dette vil være den tredje komponent i hele EKG -modellen. Formålet er at filtrere ud signaler, der ikke ligger inden for området 0,05 Hz - 250 Hz, da dette er området for et typisk voksen -EKG. Jeg valgte at bruge kombinationsresistive og kapacitive komponenter, så højpasafbrydelsen ville være 0,05 Hz og lavpasafbrydelsen ville være 250 Hz. Det første billede viser det passive båndpasfilterdesign modelleret i LTspice. Det andet billede viser relevante ligninger og udførte beregninger. Når den var fuldstændig modelleret, blev der udført en vekselstrømssvepning af et sinusformet indgangssignal på 1 V fra 0,01 Hz - 100 kHz i LTspice for at bekræfte høj- og lavpasafbrydelsesfrekvenserne. Det tredje billede viser resultaterne af denne analyse. Den lille variation i simuleringsresultater i forhold til forventede resultater skyldes sandsynligvis afrunding ved beregning af de resistive og kapacitive komponenter i dette kredsløb.

Trin 4: Kombination af kredsløbskomponenter

Nu hvor alle komponenter er designet og testet individuelt, kan de kombineres i serie i den rækkefølge, de blev oprettet. Dette resulterer i en fuld EKG -kredsløbsmodel, der først indeholder en instrumenteringsforstærker til at forstærke signalet 1000x. Derefter bruges et hakfilter til at eliminere støj fra 60 Hz vekselstrøm. Endelig tillader båndpassfilteret ikke et signal at passere der ligger uden for området for et typisk voksen EKG (0,05 Hz - 250 Hz). Når den er kombineret, som vist i det første billede, kan der foretages en forbigående analyse og fuld vekselstrøm i LTspice med en indgangsspænding på 1 mV (sinusformet) for at sikre, at komponenterne fungerer sammen som forventet. Det andet billede viser de transiente analyseresultater, der viser signalforstærkning fra 1 mV til ~ 0,85 V. Dette betyder, at enten hak- eller båndpasfilterkomponenter svagt svækker signalet, efter at det i første omgang blev forstærket 1000x af instrumenteringsforstærkeren. Det tredje billede viser AC -fejningsresultaterne. Dette Bode -plot viser høj- og lavpasafbrydelser, der matcher dem for båndpasfilterets Bode -plot, når de testes individuelt. Der er også et lille fald omkring 60 Hz, hvor notchfilteret arbejder på at fjerne uønsket støj.