Модель автоматической схемы ЭКГ: 4 шага

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:47

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.