Симулятор автоматизированной цепи ЭКГ: 4 шага

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:48

Электрокардиограмма (ЭКГ) - это мощный метод, используемый для измерения электрической активности сердца пациента. Уникальная форма этих электрических потенциалов различается в зависимости от расположения записывающих электродов и используется для обнаружения многих условий. При раннем обнаружении различных сердечных заболеваний врачи могут дать своим пациентам множество рекомендаций, касающихся их ситуации. Этот аппарат состоит из трех основных компонентов: инструментального усилителя, за которым следует режекторный фильтр и полосовой фильтр. Цель этих частей - усилить входящие сигналы, удалить нежелательные сигналы и передать все соответствующие биологические сигналы. Анализ полученной системы доказал, что электрокардиограмма, как и ожидалось, выполняет свои желаемые задачи по созданию полезного сигнала ЭКГ, демонстрируя свою полезность для обнаружения сердечных заболеваний.

Запасы:

• Программное обеспечение LTSpice
• Файлы сигналов ЭКГ

Шаг 1: инструментальный усилитель

Инструментальный усилитель, иногда сокращенно INA, используется для усиления биологических сигналов низкого уровня, наблюдаемых от пациента. Типичный INA состоит из трех операционных усилителей (ОУ). Два операционных усилителя должны быть в неинвертирующей конфигурации, а последний операционный усилитель - в дифференциальной конфигурации. Вместе с операционными усилителями используются семь резисторов, чтобы мы могли изменять коэффициент усиления, изменяя номиналы резисторов. Из резисторов три пары и один индивидуальный размер.

В этом проекте я буду использовать коэффициент усиления 1000 для усиления сигналов. Затем я выберу произвольные значения R2, R3 и R4 (проще всего, если R3 и R4 эквивалентны по размеру, потому что они сокращаются до 1, что упрощает вычисления). Отсюда я могу решить, что R1 имеет все необходимые размеры компонентов.

Усиление = (1 + 2R2 / R1) * (R4 / R3)

Используя приведенное выше уравнение усиления и значения R2 = 50 кОм и R3 = R4 = 10 кОм, мы получаем R1 = 100 Ом.

Чтобы проверить, что коэффициент усиления действительно равен 1000, мы можем запустить схему с функцией развертки.ac и наблюдать, где происходит плато. В данном случае это 60 дБ. Используя приведенное ниже уравнение, мы можем преобразовать дБ в безразмерные Vout / Vin, которые, как и ожидалось, равны 1000.

Усиление, дБ = 20 * log (Vout / Vin)

Шаг 2: режекторный фильтр

Следующий компонент, который необходимо разработать, - это режекторный фильтр. Стоимость компонентов этого фильтра во многом зависит от того, какую частоту вы хотите вырезать. Для этой конструкции мы хотим вырезать частоту 60 Гц (fc), которая выдается медицинскими приборами.

В этой конструкции используется двойной режекторный фильтр, чтобы гарантировать, что будет вырезано только желаемое, и что мы не будем случайно ослаблять желаемые биологические частоты около отметки 60 Гц. Значения компонентов были найдены путем выбора произвольных значений резисторов, из которых я решил использовать 2 кОм для фильтра нижних частот (верхняя Т) и 1 кОм для фильтра верхних частот (нижняя Т). Используя приведенное ниже уравнение, я решил найти необходимые конденсаторы.

fc = 1 / (4 * пи * R * C)

График Боде был снова найден с помощью функции развертки.ac, которую предлагает LTSpice.

Шаг 3: полосовой фильтр

Последний компонент автоматизированной системы ЭКГ необходим для передачи биологических частот, поскольку это то, что нас интересует. Типичный сигнал ЭКГ возникает в диапазоне от 0,5 Гц до 150 Гц (fc), поэтому можно использовать два фильтра; либо полосовой фильтр, либо фильтр нижних частот. В этой конструкции использовался полосовой фильтр, так как он немного более точен, чем фильтр нижних частот, хотя он все равно будет работать, поскольку биологические частоты, как правило, все равно не имеют высоких частот.

Полосовой фильтр состоит из двух частей: фильтра высоких частот и фильтра низких частот. Фильтр высоких частот находится перед операционным усилителем, а фильтр низких частот - после него. Помните, что существует множество конструкций полосовых фильтров, которые можно использовать.

fc = 1 / (2 * пи * R * C)

Еще раз, произвольные значения могут быть выбраны, чтобы найти требуемые значения других частей. В последнем фильтре я выбрал произвольные значения резисторов и решил их для конденсаторов. Чтобы продемонстрировать, что не имеет значения, с какого из них вы начнете, я выберу произвольные значения конденсаторов, чтобы найти значения резисторов. В данном случае я выбрал емкость конденсатора 1 мкФ. Используя приведенное выше уравнение, я использую одну частоту среза за раз, чтобы найти соответствующий резистор. Для простоты я буду использовать одно и то же значение конденсатора как для высокочастотной, так и для низкочастотной частей полосового фильтра. 0,5 Гц будет использоваться для определения резистора верхних частот, а частота среза 150 Гц будет использоваться для поиска резистора нижних частот.

График Боде можно снова использовать, чтобы увидеть, правильно ли работает схема.

Шаг 4: Полная система

После того, как каждый компонент будет проверен на работу по отдельности, части можно объединить в одну систему. Используя импортированные данные ЭКГ и функцию PWL в генераторе источника напряжения, вы можете запускать моделирование, чтобы убедиться, что система должным образом усиливает и передает желаемые биологические частоты.

Снимок экрана верхнего графика - это пример того, как выглядят выходные данные с использованием функции.tran, а снимок экрана нижнего графика - соответствующий график Боде с использованием функции.ac.

Различные входные данные ЭКГ могут быть загружены (на эту страницу добавлены два разных входных файла ЭКГ) и перенесены в функцию для тестирования системы на разных смоделированных пациентах.