Simulirano vezje EKG: 7 korakov

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

Elektrokardiogram je pogost test, ki se uporablja tako pri standardnih pregledih kot pri diagnozi resnih bolezni. Ta naprava, znana kot EKG, meri električne signale v telesu, ki so odgovorni za uravnavanje srčnega utripa. Preizkus se izvaja z nanašanjem elektrod na kožo subjekta in opazovanjem izhoda, ki je v obliki znane prikazane valovne oblike EKG. Ta valovna oblika vsebuje val P, kompleks QRS in val T, ki vsak predstavlja fiziološki odziv. Ta priročnik bo opisal korake simulacije EKG -ja v programski opremi za simulacijo vezja.

Zaloge:

LTSpice ali podoben simulator vezja

Korak: Zgradite instrumentacijski ojačevalnik

Namen instrumentacijskega ojačevalnika je ojačati zelo majhen signal, ki je pogosto obdan z visoko stopnjo hrupa. Napetost vhodnega signala v EMG je običajno med 1 mV in 5 mV, namen te stopnje pa je ojačati ta signal z ojačitvijo približno 1000. Na shemi prikazano je mogoče ojačanje nadzirati z naslednjo enačbo, kjer R1 = R2, R4 = R5 in R6 = R7:

Dobiček = K1*K2, kjer je K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

Dobiček je bil zato nastavljen na 1000, zato sta K1 in K2 približno 31,6. Nekatere upore je mogoče izbrati poljubno, druge pa izračunati, dokler je enačba dobička enaka 1000. V fizičnem vezju bi elektrode šle v operacijske ojačevalnike, vendar je za simulacijo eden ozemljen, drugi pa za označevanje potencialna razlika. Vozlišče Vin bo uporabljeno za poznejšo simulacijo vhodnih valov. Vozlišče Vout vodi do naslednje stopnje EKG. Operacijski ojačevalnik LTC1151 je bil izbran, saj se nahaja v knjižnici LTSpice, ima visoko CMRR in se je uporabljal v medicinskih instrumentih. V tem sistemu bi deloval vsak osnovni operacijski ojačevalnik z napajalno napetostjo +15V in -15V.

Korak: Zgradite zarezni filter

Naslednja stopnja na EKG je zarezni filter za filtriranje motenj daljnovoda, ki se pojavljajo pri frekvenci 60 Hz. Zarezni filter deluje tako, da odstrani majhen obseg signalov, ki se pojavljajo zelo blizu edinstvene frekvence. Zato lahko z uporabo mejne frekvence 60 Hz in enačbe mejne frekvence izberemo ustrezne upore in kondenzatorje. Z uporabo zgornje sheme in ob upoštevanju, da so C = C1 = C2, C3 = 2*C1, R = R10 in R8 = R9 = 2*R10, lahko vrednosti kondenzatorja poljubno izberemo (Primer prikazuje izbrani kondenzator 1uF). Z naslednjo enačbo je mogoče na tej stopnji izračunati in uporabiti ustrezne vrednosti upora:

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

Vozlišče Vin je izhod instrumentacijskega ojačevalnika, vozlišče Vout pa vodi do naslednje stopnje.

3. korak: Zgradite pasovni filter

Zadnjo stopnjo sistema sestavlja aktivni pasovni filter za odstranjevanje hrupa nad in pod določenim frekvenčnim območjem. Osnovno gibanje, ki je posledica časovnega spreminjanja osnovne vrednosti signala, se pojavi pod 0,6 Hz, hrup EMG zaradi prisotnosti mišičnega hrupa pa pri frekvencah nad 100 Hz. Zato so te številke nastavljene kot mejne frekvence. Pasovni filter je sestavljen iz nizkoprepustnega filtra, ki mu sledi visokoprepustni filter. Vendar imata oba filtra enako mejno frekvenco:

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

Z uporabo 1uF kot poljubne vrednosti kondenzatorja in 0,6 in 100 kot mejnih frekvenc so bile vrednosti upora izračunane za ustrezne dele filtra. Vozlišče Vin prihaja iz izhoda zareznega filtra, vozlišče Vout pa je mesto, kjer se izmeri simulirani izhod celotnega sistema. V fizičnem sistemu bi se ta izhod povezal z osciloskopom ali podobno prikazovalno napravo za ogled valov EKG v realnem času.

4. korak: Preizkusite instrumentacijski ojačevalnik

Nato se instrumentacijski ojačevalnik preskusi, da zagotovi dobiček 1000. Če želite to narediti, vnesite sinusni val pri poljubni frekvenci in amplitudi. Ta primer je uporabil amplitudo 2mV od vrha do vrha za prikaz EMG vala in frekvence 1000 Hz. Simulirajte instrumentacijski ojačevalnik v programski opremi za simulacijo vezja in narišite vhodne in izhodne valovne oblike. S funkcijo kurzorja zabeležite vhodne in izhodne velikosti ter izračunajte dobiček z Gain = Vout/Vin. Če je ta dobiček približno 1000, ta stopnja deluje pravilno. Na tej stopnji je mogoče izvesti dodatno statistično analizo, tako da upoštevamo tolerance upora in spremenimo vrednosti upora za +5% in -5%, da vidimo, kako vpliva na izhodni val in kasnejši dobiček.

5. korak: Preizkusite zarezni filter

Preizkusite zarezni filter tako, da izvedete izmenični tok iz območja, ki vsebuje 60 Hz. V tem primeru je potek potekal od 1 Hz do 200 Hz. Dobljena ploskev, merjena na vozlišču Vout, bo prikazala graf ojačanja v dB v primerjavi s frekvenco v Hz. Graf se mora začeti in končati pri ojačitvi 0 dB pri frekvencah, ki so daleč od 60 Hz v obe smeri, velik padec ojačitve pa bi se moral pojaviti pri ali zelo blizu 60 Hz. To kaže, da se signali, ki se pojavljajo pri tej frekvenci, pravilno odstranijo iz želenega signala. Na tej stopnji je mogoče izvesti dodatno statistično analizo, če upoštevamo tolerance upora in spremenimo vrednosti uporov in kondenzatorjev za +5% in -5%, da vidimo, kako to vpliva na eksperimentalno mejno frekvenco (frekvenca, ki ima grafično največjo oslabitev).

6. korak: Preizkusite pasovni filter

Nazadnje preizkusite pasovni filter tako, da izvedete drugo analizo pometanja AC. Tokrat bi moralo biti brisanje s frekvence manjše od 0,6 in večje od 100, da se zagotovi pasovni prehod grafično. Še enkrat zaženite analizo z merjenjem na vozlišču Vout, prikazanem na shemi. Izhod bi moral izgledati kot zgornja slika, kjer je ojačanje negativno dlje od območja 0,6-100Hz. Točke, pri katerih je ojačanje -3dB, bi morale biti 0,6 in 100 Hz oziroma vrednosti zelo blizu tistim za prvo in drugo točko. Točke -3dB pomenijo, ko je signal oslabljen do točke, kjer bo izhod na teh frekvencah polovica prvotne moči. Zato se točke -3dB uporabljajo za analizo slabljenja signalov za filtre. Če se točke -3dB na prikazanem grafu ujemajo z pasovno območjem, stopnja deluje pravilno.

Na tej stopnji je mogoče izvesti dodatno statistično analizo, tako da upoštevamo tolerance upora in spremenimo vrednosti uporov in kondenzatorjev za +5% in -5%, da vidimo, kako vpliva na obe eksperimentalni mejni frekvenci.

7. korak: Sestavite celoten EKG sistem

Ko se potrdi, da vse tri stopnje delujejo pravilno, postavite vse tri stopnje EKG -ja skupaj in končni rezultat je končan. Simulirani val EKG se lahko vnese v stopnjo instrumentalnega ojačevalnika, izhodni val pa mora biti ojačan val EKG.