Simuleret EKG -kredsløb: 7 trin

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

Et elektrokardiogram er en almindelig test, der bruges til både standardundersøgelser og diagnoser af alvorlige sygdomme. Denne enhed, kendt som et EKG, måler de elektriske signaler i kroppen, der er ansvarlig for at regulere hjerterytmen. Testen administreres ved at påføre elektroder på patientens hud og observere output, der har form af den viste kendte EKG -bølgeform. Denne bølgeform indeholder en P -bølge, QRS -kompleks og T -bølge, der hver repræsenterer et fysiologisk svar. Denne vejledning gennemgår trinene til simulering af et EKG i en kredsløbssimuleringssoftware.

Tilbehør:

LTSpice eller lignende kredsløbssimulator

Trin 1: Byg en instrumentforstærker

Formålet med en instrumenteringsforstærker er at forstærke et meget lille signal, der ofte er omgivet af høje støjniveauer. Spændingen af indgangssignalet til en EMG er typisk mellem 1 mV til 5 mV, og formålet med dette trin er at forstærke dette signal med en forstærkning på cirka 1000. Vist i skematisk kan forstærkningen styres af følgende ligning, hvor R1 = R2, R4 = R5 og R6 = R7:

Gain = K1*K2, hvor K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

Gevinsten blev derfor sat til 1000, så K1 og K2 er cirka 31,6. Nogle modstande kan vælges vilkårligt og andre beregnes, så længe forstærkningsligningen er opfyldt til at være 1000. I et fysisk kredsløb ville elektroderne gå ind i de operationelle forstærkere, men til simuleringsformål er den ene jordforbundet og den anden bruges til at betegne den potentielle forskel. Vin -noden bruges til senere at simulere inputbølger. Vout -noden fører til den næste fase af EKG. En LTC1151 operationsforstærker blev valgt, da den er placeret i LTSpice -biblioteket, har en høj CMRR og er blevet brugt i medicinsk instrumentering. Enhver grundlæggende operationsforstærker med forsyningsspænding på +15V og -15V ville fungere i dette system.

Trin 2: Byg et Notch Filter

Det næste trin i EKG er et hakfilter til filtrering af interferens fra strømledninger, der forekommer med en frekvens på 60 Hz. Et hakfilter virker ved at fjerne et lille udvalg af signaler, der forekommer meget tæt på en ental frekvens. Derfor kan passende modstande og kondensatorer vælges ved at bruge en afskæringsfrekvens på 60 Hz og afskæringsfrekvensligningen. Ved hjælp af skematikken ovenfor og bemærker, at C = C1 = C2, C3 = 2*C1, R = R10 og R8 = R9 = 2*R10, kan kondensatorværdier vælges vilkårligt (eksemplet viser en 1uF kondensator valgt). Ved hjælp af følgende ligning kan passende modstandsværdier beregnes og bruges i dette trin:

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

Vin -noden er output fra instrumenteringsforstærkeren, og Vout -noden fører til det næste trin.

Trin 3: Byg et båndpasfilter

Systemets sidste fase består af et aktivt båndpasfilter til fjernelse af støj over og under et bestemt frekvensområde. Baseline -vandring, forårsaget af signalets baseline, der varierer med tiden, forekommer under 0,6 Hz, og EMG -støj, forårsaget af tilstedeværelse af muskelstøj, forekommer ved frekvenser over 100 Hz. Derfor indstilles disse tal som afskæringsfrekvenser. Båndpasfilteret består af et lavpasfilter efterfulgt af et højpasfilter. Begge filtre har dog den samme cutoff -frekvens:

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

Ved anvendelse af 1uF som en vilkårlig kondensatorværdi og 0,6 og 100 som afskæringsfrekvenser blev modstandsværdierne beregnet for de passende dele af filteret. Vin -noden kommer fra output fra hakfilteret, og Vout -noden er, hvor den simulerede output fra hele systemet vil blive målt. I et fysisk system ville denne udgang oprette forbindelse til et oscilloskop eller lignende displayenhed for at se EKG -bølgerne i realtid.

Trin 4: Test instrumentforstærkeren

Dernæst vil instrumenteringsforstærkeren blive testet for at sikre, at den giver en gevinst på 1000. For at gøre dette skal du indtaste en sinusformet bølge ved en vilkårlig frekvens og amplitude. Dette eksempel brugte en 2mV top til top amplitude til at repræsentere en EMG -bølge og en frekvens på 1000 Hz. Simuler instrumenteringsforstærkeren i kredsløbssimuleringssoftwaren og afbild input- og outputbølgeformerne. Ved hjælp af en markørfunktion registreres input- og outputstørrelserne og beregner forstærkningen ved Gain = Vout/Vin. Hvis denne forstærkning er cirka 1000, fungerer denne fase korrekt. Yderligere statistisk analyse kan udføres på dette trin ved at tage højde for modstandstolerancer og modificere modstandsværdier med +5% og -5% for at se, hvordan det påvirker outputbølgen og efterfølgende forstærkning.

Trin 5: Test hakfilteret

Test hakfilteret ved at udføre et AC -sweep fra et område, der indeholder 60 Hz. I dette eksempel blev fejningen kørt fra 1 Hz til 200 Hz. Det resulterende plot, når det måles ved Vout -noden, udsender en graf af amplifikation i dB vs. frekvens i Hz. Grafen skal begynde og slutte ved en 0 dB forstærkning ved frekvenser langt fra 60 Hz i begge retninger, og et stort fald i forstærkning skal forekomme ved eller meget tæt på 60 Hz. Dette viser, at signaler, der forekommer ved denne frekvens, fjernes korrekt fra det ønskede signal. Yderligere statistisk analyse kan udføres på dette trin ved at tage højde for modstandstolerancer og ændre modstands- og kondensatorværdier med +5% og -5% for at se, hvordan det påvirker den eksperimentelle afbrydelsesfrekvens (den frekvens, der oplever mest dæmpning grafisk).

Trin 6: Test båndpasfilteret

Endelig testes båndpasfilteret ved at udføre en anden AC -fejeanalyse. Denne gang skal fejningen være fra en frekvens mindre end 0,6 og større end 100 for at sikre, at båndpassagen kan ses grafisk. Kør analysen igen ved at måle ved Vout -noden vist i skematisk. Outputtet skal ligne figuren ovenfor, hvor forstærkning er negativ jo længere fra området 0,6-100Hz. De punkter, hvor forstærkning er -3dB, bør være 0,6 og 100 Hz eller værdier meget tæt på dem for henholdsvis det første og andet punkt. -3dB -punkterne angiver, når et signal dæmpes til det punkt, hvor output ved disse frekvenser vil være halvdelen af den oprindelige effekt. Derfor bruges -3dB -punkterne til at analysere dæmpning af signaler for filtre. Hvis -3dB -punkterne på den udsendte graf stemmer overens med båndpassområdet, fungerer scenen korrekt.

Yderligere statistisk analyse kan udføres på dette trin ved at tage højde for modstandstolerancer og ændre modstands- og kondensatorværdier med +5% og -5% for at se, hvordan det påvirker begge eksperimentelle afskæringsfrekvenser.

Trin 7: Saml det fulde EKG -system

Endelig, når alle tre faser bekræftes at fungere korrekt, skal du placere alle tre faser af EKG sammen, og det endelige resultat er færdigt. En simuleret EKG -bølge kan indlæses i instrumentforstærkerfasen, og den udsendte bølge skal være en forstærket EKG -bølge.