Circuit ECG simulat: 7 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:41

O electrocardiogramă este un test obișnuit utilizat atât la examinările standard, cât și la diagnosticarea bolilor grave. Acest dispozitiv, cunoscut sub numele de ECG, măsoară semnalele electrice din corpul responsabil de reglarea bătăilor inimii. Testul este administrat prin aplicarea de electrozi pe pielea subiectului și observarea ieșirii, care ia forma formei de undă cunoscute ECG prezentată. Această formă de undă conține o undă P, un complex QRS și o undă T care reprezintă fiecare un răspuns fiziologic. Acest ghid va parcurge etapele simulării unui ECG într-un software de simulare a circuitului.

Provizii:

LTSpice sau simulator de circuit similar

Pasul 1: Construiți un amplificator de instrumentație

Scopul unui amplificator de instrumentație este de a amplifica un semnal foarte mic, care este adesea înconjurat de niveluri ridicate de zgomot. Tensiunea semnalului de intrare într-un EMG este de obicei între 1 mV și 5 mV, iar scopul acestei etape este de a amplifica acel semnal cu un câștig de aproximativ 1000. Afișat în schemă, câștigul poate fi controlat prin următoarea ecuație în care R1 = R2, R4 = R5 și R6 = R7:

Câștig = K1 * K2, unde K1 = K2

K1 = 1 + (2R1 / R3)

K2 = -R6 / R4

Prin urmare, câștigul a fost stabilit la 1000, deci K1 și K2 sunt aproximativ 31,6. Unele rezistențe pot fi alese în mod arbitrar și altele calculate, atâta timp cât ecuația câștigului este satisfăcută la 1000. Într-un circuit fizic, electrozii ar intra în amplificatoarele operaționale, dar în scopuri de simulare unul este împământat, iar celălalt este folosit pentru a semnifica diferența de potențial. Nodul Vin va fi folosit pentru a simula ulterior undele de intrare. Nodul Vout duce la următoarea etapă a ECG. A fost ales un amplificator operațional LTC1151 deoarece este situat în biblioteca LTSpice, are un CMRR ridicat și a fost utilizat în instrumentele medicale. Orice amplificator operațional de bază cu tensiune de alimentare de + 15V și -15V ar funcționa în acest sistem.

Pasul 2: Construiți un filtru Notch

Următoarea etapă a ECG este un filtru de notch pentru a filtra interferențele de linie de alimentare care apar la o frecvență de 60 Hz. Un filtru de notch funcționează prin eliminarea unei game mici de semnale care apar foarte aproape de o frecvență singulară. Prin urmare, utilizând o frecvență de întrerupere de 60 Hz și ecuația frecvenței de întrerupere, pot fi alese rezistențe și condensatoare adecvate. Folosind schema de mai sus și observând că C = C1 = C2, C3 = 2 * C1, R = R10 și R8 = R9 = 2 * R10, valorile condensatorului pot fi alese în mod arbitrar (Exemplul arată un condensator 1uF ales). Folosind următoarea ecuație, valorile corespunzătoare ale rezistenței pot fi calculate și utilizate în această etapă:

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

Nodul Vin este ieșirea din amplificatorul de instrumentație, iar nodul Vout duce la etapa următoare.

Pasul 3: Construiți un filtru Bandpass

Ultima etapă a sistemului constă dintr-un filtru activ de bandă pentru a elimina zgomotul deasupra și sub un anumit interval de frecvențe. Rătăcirea de bază, cauzată de linia de bază a semnalului care variază în funcție de timp, apare sub 0,6 Hz, iar zgomotul EMG, cauzat de prezența zgomotului muscular, apare la frecvențe peste 100 Hz. Prin urmare, aceste numere sunt setate ca frecvențe de tăiere. Filtrul de trecere în bandă constă dintr-un filtru de trecere jos urmat de un filtru de trecere în sus. Cu toate acestea, ambele filtre au aceeași frecvență de tăiere:

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

Folosind 1uF ca valoare arbitrară a condensatorului și 0,6 și 100 ca frecvențe de tăiere, valorile rezistenței au fost calculate pentru porțiunile corespunzătoare ale filtrului. Nodul Vin provine din ieșirea filtrului de notch, iar nodul Vout este locul unde va fi măsurată ieșirea simulată a întregului sistem. Într-un sistem fizic, această ieșire se va conecta la un osciloscop sau la un dispozitiv de afișare similar pentru a vizualiza undele ECG în timp real.

Pasul 4: Testați amplificatorul de instrumentație

Apoi, amplificatorul de instrumentație va fi testat pentru a se asigura că oferă un câștig de 1000. Pentru a face acest lucru, introduceți o undă sinusoidală la o frecvență și amplitudine arbitrare. Acest exemplu a folosit o amplitudine de 2mV la vârf pentru a reprezenta o undă EMG și o frecvență de 1000 Hz. Simulați amplificatorul de instrumentație în software-ul de simulare a circuitului și trasați formele de undă de intrare și ieșire. Folosind o funcție de cursor, înregistrați mărimile de intrare și ieșire și calculați câștigul prin Câștig = Vout / Vin. Dacă acest câștig este de aproximativ 1000, această etapă funcționează corect. O analiză statistică suplimentară poate fi efectuată în această etapă luând în considerare toleranțele rezistenței și modificând valorile rezistenței cu + 5% și -5% pentru a vedea cum afectează unda de ieșire și câștigul ulterior.

Pasul 5: Testați filtrul Notch

Testați filtrul cu crestături efectuând o curgere alternativă dintr-un interval care conține 60 Hz. În acest exemplu, măturarea a fost efectuată de la 1 Hz la 200 Hz. Graficul rezultat, atunci când este măsurat la nodul Vout, va emite un grafic de amplificare în dB față de frecvență în Hz. Graficul ar trebui să înceapă și să se încheie la o amplificare de 0 dB la frecvențe departe de 60 Hz în ambele direcții și o scădere mare a amplificării ar trebui să apară la sau foarte aproape de 60 Hz. Acest lucru arată că semnalele care apar la această frecvență sunt eliminate corect din semnalul dorit. O analiză statistică suplimentară poate fi efectuată în această etapă luând în considerare toleranțele rezistorului și modificând valorile rezistorului și condensatorului cu + 5% și -5% pentru a vedea cum afectează frecvența de întrerupere experimentală (frecvența care are cea mai mare atenuare grafică).

Pasul 6: Testați filtrul Bandpass

În cele din urmă, testați filtrul bandpass efectuând o altă analiză de curgere alternativă. De data aceasta, măturarea ar trebui să aibă o frecvență mai mică de 0,6 și mai mare de 100 pentru a se asigura că trecerea de bandă poate fi văzută grafic. Încă o dată, rulați analiza măsurând la nodul Vout prezentat în schemă. Ieșirea ar trebui să arate ca figura de mai sus, unde amplificarea este negativă cu cât este mai departe de intervalul 0,6-100Hz. Punctele la care amplificarea este -3dB ar trebui să fie 0,6 și 100 Hz, sau valori foarte apropiate de cele pentru primul și respectiv al doilea punct. Punctele -3dB semnifică atunci când un semnal este atenuat până la punctul în care ieșirea la aceste frecvențe va fi jumătate din puterea inițială. Prin urmare, punctele -3dB sunt utilizate pentru a analiza atenuarea semnalelor pentru filtre. Dacă punctele -3dB din graficul ieșit se potrivesc cu intervalul bandpass, scena funcționează corect.

O analiză statistică suplimentară poate fi efectuată în această etapă luând în considerare toleranțele rezistorului și modificând valorile rezistorului și condensatorului cu + 5% și -5% pentru a vedea cum afectează ambele frecvențe de întrerupere experimentale.

Pasul 7: Puneți împreună sistemul complet ECG

În cele din urmă, când se confirmă că toate cele trei etape funcționează corect, puneți toate cele trei etape ale ECG împreună și rezultatul final este finalizat. O undă ECG simulată poate fi introdusă în etapa amplificatorului de instrumentație și unda ieșită ar trebui să fie o undă ECG amplificată.