Simulator automat de circuite ECG: 4 pași

2025 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2025-01-23 15:04

O electrocardiogramă (ECG) este o tehnică puternică utilizată pentru a măsura activitatea electrică a inimii pacientului. Forma unică a acestor potențiale electrice diferă în funcție de locația electrozilor de înregistrare și a fost utilizată pentru a detecta multe condiții. Odată cu detectarea timpurie a unei varietăți de afecțiuni cardiace, medicii pot oferi pacienților lor o multitudine de recomandări care să abordeze situația lor. Această mașină este alcătuită din trei componente principale: un amplificator de instrumentație urmat de un filtru cu crestături și un filtru de trecere a benzii. Scopul acestor părți este de a amplifica semnalele primite, de a elimina semnalele nedorite și de a transmite toate semnalele biologice relevante. Analiza sistemului rezultat a dovedit că electrocardiograma, așa cum era de așteptat, își îndeplinește sarcinile dorite pentru a produce un semnal ECG utilizabil, demonstrând utilitatea sa pentru a detecta afecțiunile cardiace.

Provizii:

• Software LTSpice
• Fișiere de semnal ECG

Pasul 1: Amplificator de instrumentație

Amplificatorul de instrumentație, uneori prescurtat INA, este folosit pentru a amplifica semnalele biologice de nivel scăzut observate de la pacient. Un INA tipic constă din trei amplificatoare operaționale (Op Amps). Două amplificatoare operaționale ar trebui să fie în configurația fără inversare și ultimul amplificator operațional în configurația diferențială. Șapte rezistențe sunt folosite alături de amplificatorii op pentru a ne permite să variem câștigul prin schimbarea dimensiunilor valorii rezistorului. Dintre rezistențe, există trei perechi și o dimensiune individuală.

Pentru acest proiect, voi folosi un câștig de 1000 pentru a amplifica semnalele. Voi alege apoi valori arbitrare R2, R3 și R4 (este cel mai ușor dacă R3 și R4 au dimensiuni echivalente, deoarece s-ar anula la 1, deschizând calea pentru calcule mai ușoare). De aici, pot rezolva ca R1 să aibă toate dimensiunile necesare ale componentelor.

Câștig = (1 + 2R2 / R1) * (R4 / R3)

Folosind ecuația de câștig de mai sus și valorile R2 = 50kΩ și R3 = R4 = 10kΩ, obținem R1 = 100Ω.

Pentru a verifica dacă câștigul este de fapt 1000, putem rula circuitul cu o funcție de măturare.ac și putem observa unde apare platoul. În acest caz, este de 60 dB. Folosind ecuația de mai jos, putem converti dB în Vout / Vin adimensional, care ajunge să fie 1000, așa cum era de așteptat.

Câștig, dB = 20 * jurnal (Vout / Vin)

Pasul 2: Filtru de notch

Următoarea componentă care urmează să fie proiectată este filtrul de notch. Valoarea componentelor pentru acest filtru depinde în mare măsură de frecvența pe care doriți să o bifați. Pentru acest design, dorim să eliminăm frecvența de 60 Hz (fc) care este eliberată de instrumentele medicale.

În acest design va fi utilizat un filtru cu crestături twin-t pentru a ne asigura că doar cel dorit va fi decupat și că nu vom atenua accidental frecvențele biologice dorite în apropierea marcajului de 60 Hz. Valorile componentelor au fost găsite selectând valori de rezistență arbitrare, dintre care am ales să folosesc 2kΩ pentru filtrul de trecere jos (T de sus) și 1kΩ pentru filtrul de trecere înaltă (T de jos). Folosind ecuația de mai jos, am rezolvat valorile necesare ale condensatorului.

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

Complotul Bode a fost găsit încă o dată folosind funcția de măturare.ac oferită de LTSpice.

Pasul 3: Filtru de trecere a benzii

Componenta finală a sistemului automatizat ECG este necesară pentru a trece frecvențele biologice, deoarece asta ne interesează. Semnalul tipic ECG apare între 0,5 Hz și 150 Hz (fc), prin urmare ar putea fi utilizate două filtre; fie un filtru trece bandă, fie un filtru trece jos. În acest design, a fost utilizat un filtru de trecere a benzii, deoarece este puțin mai precis decât trecerea joasă, deși acela ar funcționa în continuare, deoarece frecvențele biologice nu au oricum frecvențe înalte.

Un filtru trece bandă conține două părți: un filtru trece sus și un filtru trece jos. Filtrul trece sus vine înainte de Op Amp, iar trece jos este după. Amintiți-vă că există o varietate de modele de filtre de trecere a benzii care ar putea fi utilizate.

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

Încă o dată, valorile arbitrare vor fi alese pentru a găsi valorile necesare ale altor părți. În ultimul filtru, am ales valori de rezistență arbitrare și am rezolvat pentru valorile condensatorului. Pentru a demonstra că nu contează cu care începeți, voi alege acum valori de condensator arbitrare de rezolvat pentru valorile rezistenței. În acest caz, am ales o valoare a condensatorului de 1uF. Folosind ecuația de mai sus, folosesc o frecvență de tăiere la un moment dat pentru a rezolva rezistorul respectiv. Pentru simplitate, voi folosi aceeași valoare a condensatorului atât pentru părțile de trecere înaltă, cât și de trecere joasă la filtrul de trecere a benzii. 0,5 Hz va fi folosit pentru a rezolva rezistența de trecere înaltă și frecvența de întrerupere de 150 Hz este utilizată pentru a găsi rezistorul de trecere jos.

Un grafic Bode poate fi folosit din nou pentru a vedea dacă proiectarea circuitului a funcționat corespunzător.

Pasul 4: Sistem complet

După ce fiecare componentă a fost verificată să funcționeze singură, piesele pot fi combinate într-un singur sistem. Folosind datele ECG importate și funcția PWL din generatorul sursei de tensiune, puteți rula simulări pentru a vă asigura că sistemul amplifică și trece corect frecvențele biologice dorite.

Captura de ecran a graficului de sus este un exemplu de cum arată datele de ieșire folosind o funcție.tran, iar captura de ecran de jos a graficului este reprezentarea graficului respectiv, folosind funcția.ac.

Diferite date de intrare ECG pot fi descărcate (două fișiere de intrare ECG diferite au fost adăugate la această pagină) și aduse în funcția de a testa sistemul pe diferiți pacienți modelați.