Automatiseret EKG -kredsløbssimulator: 4 trin

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

Et elektrokardiogram (EKG) er en kraftfuld teknik, der bruges til at måle den elektriske aktivitet i en patients hjerte. Den unikke form for disse elektriske potentialer varierer afhængigt af placeringen af optagelseselektroder og er blevet brugt til at detektere mange forhold. Med tidlig opdagelse af en række forskellige hjertesygdomme kan læger give deres patienter en lang række anbefalinger, der adresserer deres situation. Denne maskine består af tre hovedkomponenter: en instrumenteringsforstærker efterfulgt af et hakfilter og et båndpasfilter. Målet med disse dele er at forstærke de indgående signaler, fjerne uønskede signaler og videregive alle relevante biologiske signaler. Analyse af det resulterende system viste, at elektrokardiogrammet som forventet udfører de ønskede opgaver for at producere et brugbart EKG -signal, hvilket demonstrerer dets anvendelighed til at detektere hjertesygdomme.

Tilbehør:

• LTSpice -software
• EKG -signalfiler

Trin 1: Instrumentforstærker

Instrumenteringsforstærkeren, undertiden forkortet INA, bruges til at forstærke de lave, biologiske signaler, der observeres fra patienten. En typisk INA består af tre operationsforstærkere (Op Amps). To Op Amps skal være i den ikke-inverterende konfiguration og den sidste Op Amp i differentialkonfigurationen. Syv modstande bruges sammen med Op -forstærkere for at give os mulighed for at variere forstærkning ved at ændre størrelser på modstandsværdier. Af modstandene er der tre par og en individuel størrelse.

Til dette projekt vil jeg bruge en forstærkning på 1000 til at forstærke signalerne. Jeg vil derefter vælge vilkårlige R2-, R3- og R4 -værdier (det er nemmest, hvis R3 og R4 er ækvivalente i størrelse, fordi de ville annullere til 1, hvilket baner vej for lettere beregninger). Herfra kan jeg løse for R1 for at have alle nødvendige komponentstørrelser.

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

Ved hjælp af forstærkningsligningen ovenfor og værdierne R2 = 50kΩ og R3 = R4 = 10kΩ får vi R1 = 100Ω.

For at kontrollere, at forstærkningen faktisk er 1000, kan vi køre kredsløbet med en.ac sweep -funktion og observere, hvor plateauet forekommer. I dette tilfælde er det 60 dB. Ved at bruge nedenstående ligning kan vi konvertere dB til dimensionsløs Vout/Vin, der som forventet ender med at blive 1000.

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

Trin 2: Hakfilter

Den næste komponent, der skal designes, er hakfilteret. Værdien af komponenter til dette filter afhænger i høj grad af, hvilken frekvens du ønsker at hakke ud. Til dette design ønsker vi at afbryde 60 Hz frekvensen (fc), der frigives ved medicinsk instrumentering.

Et dobbelt-t hakfilter bruges til dette design for at sikre, at kun det ønskede bliver skåret ud, og at vi ikke ved et uheld dæmper ønskede biologiske frekvenser nær 60 Hz-mærket. Komponentværdierne blev fundet ved at vælge vilkårlige modstandsværdier, hvoraf jeg valgte at bruge 2kΩ til lavpasfilteret (øverst T) og 1kΩ til højpasfilteret (nederst T). Ved hjælp af nedenstående ligning løste jeg for de nødvendige kondensatorværdier.

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

Bode -plottet blev fundet igen ved hjælp af.ac sweep -funktionen, som LTSpice tilbyder.

Trin 3: Båndpasfilter

Den sidste komponent til det automatiserede EKG -system er nødvendig for at passere biologiske frekvenser, da det er det, vi er interesseret i. Det typiske EKG -signal forekommer mellem 0,5 Hz og 150 Hz (fc), derfor kan to filtre bruges; enten et båndpasfilter eller et lavpasfilter. I dette design blev der brugt et båndpasfilter, da det er lidt mere præcist end lavpas, selvom det stadig ville fungere, da biologiske frekvenser generelt set ikke har høje frekvenser.

Et båndpasfilter indeholder to dele: et højpasfilter og et lavpasfilter. Højpasfilteret kommer før Op Amp og lavpasset er efter. Husk, at der er en række forskellige båndpasfilter designs, der kan bruges.

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

Endnu en gang vælges vilkårlige værdier meget for at finde de nødvendige værdier for andre dele. I det sidste filter valgte jeg vilkårlige modstandsværdier og løste for kondensatorværdierne. For at demonstrere, at det er ligegyldigt, hvilken du starter med, vil jeg nu vælge vilkårlige kondensatorværdier til at løse for modstandsværdierne. I dette tilfælde valgte jeg en kondensatorværdi på 1uF. Ved hjælp af ligningen ovenfor bruger jeg en afbrydelsesfrekvens ad gangen til at løse for den respektive modstand. For enkelhedens skyld vil jeg bruge den samme kondensatorværdi til både højpas- og lavpasdele til båndpasfilteret. 0,5 Hz bruges til at løse højpasmodstanden, og 150 Hz -afbrydelsesfrekvensen bruges til at finde lavpasmodstanden.

Et Bode -plot kan igen bruges til at se, om kredsløbets design fungerede korrekt.

Trin 4: Fuldt system

Efter at hver komponent er blevet verificeret til at fungere alene, kan delene kombineres til et system. Ved hjælp af importerede EKG -data og PWL -funktionen i spændingskildegeneratoren kan du køre simuleringer for at sikre, at systemet forstærker og passerer de ønskede biologiske frekvenser korrekt.

Det øverste plot -skærmbillede er et eksempel på, hvordan outputdataene ser ud ved hjælp af en.tran -funktion, og det nederste plot -screenshot er det respektive bode -plot ved hjælp af.ac -funktionen.

Forskellige input -EKG -data kan downloades (to forskellige EKG -inputfiler er tilføjet til denne side) og bragt ind i funktionen for at teste systemet på forskellige modellerede patienter.