Имитация контура ЭКГ: 7 шагов

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

Электрокардиограмма - это обычный тест, который используется как при стандартном обследовании, так и при диагностике серьезных заболеваний. Это устройство, известное как ЭКГ, измеряет электрические сигналы в организме, отвечающие за регулирование сердцебиения. Тест проводится путем наложения электродов на кожу пациента и наблюдения за выходным сигналом, который принимает форму известной формы волны ЭКГ. Эта форма волны содержит зубец P, комплекс QRS и зубец T, каждый из которых представляет физиологический ответ. В этом руководстве будут рассмотрены этапы моделирования ЭКГ в программном обеспечении для моделирования электрических цепей.

Запасы:

LTSpice или аналогичный имитатор схем

Шаг 1. Создайте инструментальный усилитель

Инструментальный усилитель предназначен для усиления очень слабого сигнала, который часто окружен высокими уровнями шума. Напряжение входного сигнала в ЭМГ обычно составляет от 1 мВ до 5 мВ, и цель этого каскада состоит в том, чтобы усилить этот сигнал с коэффициентом усиления приблизительно 1000. Как показано на схеме, усилением можно управлять с помощью следующего уравнения, где R1 = R2, R4 = R5 и R6 = R7:

Коэффициент усиления = K1 * K2, где K1 = K2

К1 = 1 + (2R1 / R3)

К2 = -R6 / R4

Поэтому коэффициент усиления был установлен равным 1000, поэтому K1 и K2 составляют приблизительно 31,6. Некоторые резисторы могут быть выбраны произвольно, а другие рассчитаны при условии, что уравнение усиления равно 1000. В физической схеме электроды будут входить в операционные усилители, но для целей моделирования один заземлен, а другой используется для обозначения разность потенциалов. Узел Vin будет использоваться для последующего моделирования входных волн. Узел Vout приводит к следующему этапу ЭКГ. Был выбран операционный усилитель LTC1151, поскольку он находится в библиотеке LTSpice, имеет высокий CMRR и используется в медицинских приборах. В этой системе будет работать любой базовый операционный усилитель с напряжением питания +15 В и -15 В.

Шаг 2. Создайте режекторный фильтр

Следующим этапом ЭКГ является режекторный фильтр для фильтрации помех от линии электропередачи, возникающих на частоте 60 Гц. Режекторный фильтр работает, удаляя небольшой диапазон сигналов, которые возникают на очень близкой к сингулярной частоте. Следовательно, используя частоту отсечки 60 Гц и уравнение частоты отсечки, можно выбрать соответствующие резисторы и конденсаторы. Используя приведенную выше схему и отмечая, что C = C1 = C2, C3 = 2 * C1, R = R10 и R8 = R9 = 2 * R10, значения конденсатора могут быть выбраны произвольно (в примере показан выбранный конденсатор 1 мкФ). Используя следующее уравнение, можно рассчитать и использовать соответствующие номиналы резисторов на этом этапе:

fc = 1 / (4 * пи * R * C)

Узел Vin является выходом инструментального усилителя, а узел Vout ведет к следующему каскаду.

Шаг 3: Создайте полосовой фильтр

Последний этап системы состоит из активного полосового фильтра для удаления шума выше и ниже определенного диапазона частот. Дрейф базовой линии, вызванный изменением базовой линии сигнала со временем, происходит ниже 0,6 Гц, а шум ЭМГ, вызванный наличием мышечного шума, возникает на частотах выше 100 Гц. Следовательно, эти числа установлены как частоты среза. Полосовой фильтр состоит из фильтра нижних частот, за которым следует фильтр верхних частот. Однако оба фильтра имеют одинаковую частоту среза:

Fc = 1 / (2 * пи * R * C)

Используя 1 мкФ в качестве произвольного значения емкости конденсатора и 0,6 и 100 в качестве частот среза, значения резистора были рассчитаны для соответствующих частей фильтра. Узел Vin создается на выходе режекторного фильтра, а узел Vout - это место, где будет измеряться смоделированный выходной сигнал всей системы. В физической системе этот выход можно подключить к осциллографу или аналогичному устройству отображения для просмотра волн ЭКГ в реальном времени.

Шаг 4: Проверьте инструментальный усилитель

Затем будет протестирован инструментальный усилитель, чтобы убедиться, что он обеспечивает коэффициент усиления 1000. Для этого введите синусоидальную волну с произвольной частотой и амплитудой. В этом примере использовалась размах амплитуды 2 мВ для представления волны ЭМГ и частоты 1000 Гц. Смоделируйте инструментальный усилитель в программном обеспечении для моделирования схем и постройте кривые входных и выходных сигналов. Используя функцию курсора, запишите входную и выходную величины и вычислите усиление как Gain = Vout / Vin. Если это усиление примерно 1000, этот этап работает правильно. На этом этапе можно выполнить дополнительный статистический анализ, принимая во внимание допуски резисторов и изменяя значения резисторов на + 5% и -5%, чтобы увидеть, как это влияет на выходную волну и последующее усиление.

Шаг 5: проверьте режекторный фильтр

Проверьте режекторный фильтр, выполнив развертку по переменному току из диапазона, содержащего 60 Гц. В этом примере развертка выполнялась от 1 Гц до 200 Гц. Результирующий график при измерении в узле Vout будет выводить график усиления в дБ в зависимости от частоты в Гц. График должен начинаться и заканчиваться при усилении 0 дБ на частотах, далеких от 60 Гц в обоих направлениях, и большое падение усиления должно появляться на частоте 60 Гц или очень близко к ней. Это показывает, что сигналы, которые возникают на этой частоте, должным образом удаляются из полезного сигнала. На этом этапе можно выполнить дополнительный статистический анализ, приняв во внимание допуски резистора и изменив номиналы резистора и конденсатора на + 5% и -5%, чтобы увидеть, как это влияет на экспериментальную частоту среза (частота, которая испытывает наибольшее затухание графически).

Шаг 6: Проверьте полосовой фильтр

Наконец, проверьте полосовой фильтр, выполнив еще один анализ развертки переменного тока. На этот раз развертка должна быть от частоты меньше 0,6 до больше 100, чтобы полосу пропускания можно было увидеть графически. Еще раз запустите анализ, измерив узел Vout, показанный на схеме. Выходной сигнал должен выглядеть как на рисунке выше, где усиление отрицательное, чем дальше от диапазона 0,6–100 Гц. Точки, в которых усиление составляет -3 дБ, должны составлять 0,6 и 100 Гц или значения, очень близкие к значениям для первой и второй точек, соответственно. Точки -3 дБ означают, что сигнал ослабляется до точки, в которой выходной сигнал на этих частотах будет составлять половину исходной мощности. Поэтому точки -3 дБ используются для анализа затухания сигналов для фильтров. Если точки -3 дБ на выведенном графике соответствуют полосе пропускания, каскад работает правильно.

На этом этапе можно выполнить дополнительный статистический анализ, приняв во внимание допуски резисторов и изменив номиналы резистора и конденсатора на + 5% и -5%, чтобы увидеть, как это влияет на обе экспериментальные частоты среза.

Шаг 7: Соберите полную систему ЭКГ

Наконец, когда будет подтверждено, что все три этапа работают правильно, поместите все три этапа ЭКГ вместе, и окончательный результат будет готов. Смоделированная волна ЭКГ может быть введена в каскад инструментального усилителя, и выходная волна должна быть усиленной волной ЭКГ.