Samodejni simulator EKG vezja: 4 koraki

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:02

Elektrokardiogram (EKG) je močna tehnika za merjenje električne aktivnosti bolnikovega srca. Edinstvena oblika teh električnih potencialov se razlikuje glede na lokacijo snemalnih elektrod in je bila uporabljena za zaznavanje številnih pogojev. Z zgodnjim odkrivanjem različnih srčnih bolezni lahko zdravniki svojim pacientom posredujejo mnoga priporočila, ki obravnavajo njihov položaj. Ta stroj je sestavljen iz treh glavnih komponent: instrumentacijskega ojačevalnika, ki mu sledi zarezni filter in pasovno prehodnega filtra. Cilj teh delov je ojačati vhodne signale, odstraniti neželene signale in posredovati vse ustrezne biološke signale. Analiza nastalega sistema je pokazala, da elektrokardiogram po pričakovanjih opravlja želene naloge, da proizvede uporaben signal EKG, kar dokazuje njegovo uporabnost za odkrivanje srčnih bolezni.

Zaloge:

• Programska oprema LTSpice
• Signalne datoteke EKG

1. korak: Instrumentacijski ojačevalnik

Instrumentalni ojačevalnik, včasih skrajšano INA, se uporablja za ojačanje nizkih bioloških signalov, ki jih opazuje bolnik. Tipičen INA je sestavljen iz treh operacijskih ojačevalnikov (Op ojačevalniki). Dva op ojačevalnika morata biti v neinvertirajoči konfiguraciji, zadnji op ojačevalnik pa v diferencialni konfiguraciji. Poleg op ojačevalnikov se uporablja sedem uporov, ki nam omogočajo spreminjanje dobička s spreminjanjem velikosti upora. Od uporov so trije pari in ena posamezna velikost.

Za ta projekt bom za ojačanje signalov uporabil dobiček 1000. Nato bom izbral poljubne vrednosti R2, R3 in R4 (najlažje je, če sta velikosti R3 in R4 enakovredni, ker bi preklicali na 1, kar bi utrlo pot za lažje izračune). Od tu lahko rešim, da ima R1 vse potrebne komponente.

Dobiček = (1 + 2R2/R1) * (R4/R3)

Z uporabo enačbe dobička zgoraj in vrednosti R2 = 50kΩ in R3 = R4 = 10kΩ dobimo R1 = 100Ω.

Če želimo preveriti, ali je dobiček v resnici 1000, lahko zaženemo vezje s funkcijo.ac sweep in opazujemo, kje se pojavi planota. V tem primeru je 60 dB. Z uporabo enačbe spodaj lahko dB pretvorimo v brezdimenzionalni Vout/Vin, ki je po pričakovanjih 1000.

Dobiček, dB = 20*log (Vout/Vin)

Korak: Zarezni filter

Naslednja komponenta, ki jo je treba oblikovati, je zarezni filter. Vrednost komponent tega filtra je v veliki meri odvisna od frekvence, ki jo želite zarezati. Za to zasnovo želimo izrezati frekvenco 60 Hz (fc), ki jo sproščajo medicinski instrumenti.

V tej zasnovi je treba uporabiti dvojni zarezni filter, ki zagotavlja, da bo izrezano le želeno in da ne bomo pomotoma oslabili želenih bioloških frekvenc v bližini oznake 60 Hz. Vrednosti komponent so bile najdene z izbiro poljubnih vrednosti upora, od katerih sem se odločil uporabiti 2 kΩ za nizkoprepustni filter (zgornji T) in 1 kΩ za visokoprepustni filter (spodnji T). Z uporabo spodnje enačbe sem rešil potrebne vrednosti kondenzatorja.

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

Bodejevo ploskev smo znova našli s funkcijo.ac sweep, ki jo ponuja LTSpice.

3. korak: Band Pass filter

Končna komponenta avtomatiziranega EKG sistema je potrebna za prenašanje bioloških frekvenc, saj nas to zanima. Tipičen EKG signal se pojavi med 0,5 Hz in 150 Hz (fc), zato bi lahko uporabili dva filtra; pasovni ali nizkoprepustni filter. Pri tej zasnovi je bil uporabljen pasovni filter, ki je nekoliko natančnejši od nizkoprepustnega, čeprav bi še vedno deloval, saj biološke frekvence na splošno vseeno nimajo visokih frekvenc.

Pasovni filter vsebuje dva dela: visokoprepustni in nizkoprepustni filter. Visokoprepustni filter je pred Op ojačevalnikom, nizkoprepustni pa po njem. Ne pozabite, da je mogoče uporabiti različne oblike pasovnih filtrov.

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

Še enkrat se za izbiro zahtevanih vrednosti drugih delov veliko izbirajo poljubne vrednosti. V zadnjem filtru sem izbral poljubne vrednosti upora in rešil vrednosti kondenzatorja. Da dokažem, da ni pomembno, s katerim začnete, bom zdaj izbral poljubne vrednosti kondenzatorja, ki jih bom rešil za vrednosti upora. V tem primeru sem izbral vrednost kondenzatorja 1uF. Z zgornjo enačbo uporabljam eno mejno frekvenco naenkrat za reševanje ustreznega upora. Zaradi poenostavitve bom uporabil isto vrednost kondenzatorja za visokoprehodne in nizkoprehodne dele pasovnega filtra. 0,5 Hz bo uporabljeno za reševanje visokoprehodnega upora, rezalna frekvenca 150 Hz pa za iskanje nizkoprehodnega upora.

Z grafiko Bode lahko znova uporabite, da preverite, ali je zasnova vezja delovala ustrezno.

4. korak: Celoten sistem

Ko je bilo preverjeno, da vsaka komponenta deluje samostojno, je mogoče dele združiti v en sistem. Z uporabo uvoženih podatkov EKG in funkcije PWL v generatorju napetostnega vira lahko zaženete simulacije, s katerimi zagotovite, da sistem ustrezno ojača in prenese želene biološke frekvence.

Zgornji posnetek zaslona je primer, kako izgledajo izhodni podatki s funkcijo.tran, spodnji posnetek zaslona pa je ustrezna shema bode s funkcijo.ac.

Lahko se prenesejo različni vhodni podatki EKG -ja (na to stran sta bili dodani dve različni vhodni datoteki EKG -ja) in vključeni v funkcijo za testiranje sistema na različnih modeliranih bolnikih.