Модель автоматической схемы ЭКГ: 4 шага

2025 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2025-06-01 06:10

Цель этого проекта - создать модель цепи с несколькими компонентами, которая может адекватно усиливать и фильтровать входящий сигнал ЭКГ. Три компонента будут моделироваться индивидуально: инструментальный усилитель, активный режекторный фильтр и пассивный полосовой фильтр. Они будут объединены для создания окончательной модели цепи ЭКГ. Все схемы моделирования и тестирования проводились в LTspice, но другие программы моделирования схем также могли работать.

Шаг 1: инструментальный усилитель

Это будет первый компонент полной модели ЭКГ. Его цель - усилить поступающий сигнал ЭКГ, который изначально будет иметь очень низкое напряжение. Я решил использовать комбинированные операционные усилители и резистивные компоненты таким образом, чтобы получить коэффициент усиления 1000. На первом изображении показана конструкция инструментального усилителя, смоделированная в LTspice. На втором изображении показаны соответствующие уравнения и выполненные расчеты. После полного моделирования в LTspice был выполнен переходный анализ синусоидального входного сигнала 1 мВ при 75 Гц для подтверждения усиления 1000. На третьем изображении показаны результаты этого анализа.

Шаг 2: активный режекторный фильтр

Это будет второй компонент полной модели ЭКГ. Его цель - ослабить сигналы с частотой 60 Гц, которая является частотой помех сетевого напряжения переменного тока. Это искажает сигналы ЭКГ и обычно присутствует во всех клинических условиях. Я решил использовать комбинацию операционного усилителя с резистивными и емкостными компонентами в конфигурации режекторного фильтра с двойным тройником. На первом изображении показана конструкция режекторного фильтра, смоделированная в LTspice. На втором изображении показаны соответствующие уравнения и выполненные расчеты. После полного моделирования развертка по переменному току синусоидального входного сигнала 1 В была выполнена в диапазоне от 1 Гц до 100 кГц в LTspice, чтобы подтвердить отметку на частоте 60 Гц. На третьем изображении показаны результаты этого анализа. Небольшое отклонение результатов моделирования от ожидаемых, вероятно, связано с округлением, сделанным при вычислении резистивных и емкостных компонентов этой схемы.

Шаг 3: пассивный полосовой фильтр

Это будет третий компонент полной модели ЭКГ. Его цель - отфильтровать сигналы, выходящие за пределы диапазона 0,05-250 Гц, поскольку это диапазон типичной ЭКГ взрослого человека. Я решил использовать комбинацию резистивных и емкостных компонентов, так что отсечка высоких частот будет 0,05 Гц, а отсечка низких частот - 250 Гц. На первом изображении показана конструкция пассивного полосового фильтра, смоделированная в LTspice. На втором изображении показаны соответствующие уравнения и выполненные расчеты. После полного моделирования развертка по переменному току синусоидального входного сигнала 1 В выполнялась в диапазоне 0,01 Гц - 100 кГц в LTspice для подтверждения высоких и низких частот среза. Третье изображение показывает результаты этого анализа. Небольшое отклонение результатов моделирования от ожидаемых, вероятно, связано с округлением, сделанным при вычислении резистивных и емкостных компонентов этой схемы.

Шаг 4: Объединение компонентов схемы

Теперь, когда все компоненты были разработаны и протестированы индивидуально, их можно последовательно комбинировать в том порядке, в котором они были созданы. В результате получается полная модель схемы ЭКГ, которая сначала содержит инструментальный усилитель для усиления сигнала в 1000 раз. Затем используется режекторный фильтр для устранения шума напряжения сети переменного тока 60 Гц. Наконец, полосовой фильтр не пропускает сигнал, выходящий за пределы диапазона типичной ЭКГ взрослого (0,05-250 Гц). После объединения, как показано на первом изображении, в LTspice можно провести анализ переходных процессов и полную развертку по переменному току с входным напряжением 1 мВ (синусоидальное), чтобы убедиться, что компоненты работают вместе, как ожидалось. На втором изображении показаны результаты анализа переходных процессов, которые показывают усиление сигнала от 1 мВ до ~ 0,85 В. Это означает, что либо режекторный, либо полосовой фильтр немного ослабляют сигнал после того, как он был первоначально усилен в 1000 раз инструментальным усилителем. На третьем изображении показаны результаты развертки переменного тока. Этот график Боде показывает отсечки высоких и низких частот, которые соответствуют таковым на графике Боде полосового фильтра при индивидуальном тестировании. Также есть небольшой провал около 60 Гц, где режекторный фильтр работает, чтобы удалить нежелательный шум.