Automatski simulator EKG kruga: 4 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:32

Elektrokardiogram (EKG) je moćna tehnika koja se koristi za mjerenje električne aktivnosti pacijentovog srca. Jedinstven oblik ovih električnih potencijala razlikuje se ovisno o položaju elektroda za snimanje i korišten je za otkrivanje mnogih uvjeta. S ranim otkrivanjem različitih srčanih oboljenja, liječnici mogu svojim pacijentima dati mnoštvo preporuka koje se odnose na njihovu situaciju. Ovaj stroj se sastoji od tri glavne komponente: instrumentacijskog pojačala nakon kojeg slijedi usjek filtra i filtra za pojaseve. Cilj ovih dijelova je pojačati dolazne signale, ukloniti neželjene signale i proslijediti sve relevantne biološke signale. Analiza rezultirajućeg sustava pokazala je da elektrokardiogram, kako se očekivalo, obavlja svoje željene zadatke kako bi proizveo korisni EKG signal, pokazujući njegovu korisnost za otkrivanje srčanih bolesti.

Pribor:

• LTSpice softver
• EKG signalne datoteke

Korak 1: Instrumentalno pojačalo

Instrumentalno pojačalo, ponekad skraćeno INA, koristi se za pojačavanje niskih bioloških signala koje promatra pacijent. Tipična INA se sastoji od tri operativna pojačala (op pojačala). Dva op pojačala trebaju biti u neinvertirajućoj konfiguraciji, a posljednje op pojačala u diferencijalnoj konfiguraciji. Uz op pojačala koristi se sedam otpornika koji nam omogućuju promjenu pojačanja promjenom veličina otpornika. Od otpornika postoje tri para i jedna pojedinačna veličina.

Za ovaj projekt koristit ću dobitak od 1000 za pojačavanje signala. Zatim ću izabrati proizvoljne vrijednosti R2, R3 i R4 (najjednostavnije je ako su R3 i R4 ekvivalentne veličine jer bi se poništile na 1, utirući put za lakše izračune). Odavde mogu riješiti da R1 ima sve potrebne veličine komponenti.

Dobitak = (1 + 2R2/R1) * (R4/R3)

Koristeći gornju jednadžbu pojačanja i vrijednosti R2 = 50kΩ i R3 = R4 = 10kΩ, dobivamo R1 = 100Ω.

Da bismo provjerili je li dobitak zapravo 1000, možemo pokrenuti krug s funkcijom.ac sweep i promatrati gdje se nalazi plato. U ovom slučaju to je 60 dB. Koristeći donju jednadžbu, možemo pretvoriti dB u bezdimenzionalni Vout/Vin, što na kraju iznosi 1000, kako se očekivalo.

Dobitak, dB = 20*log (Vout/Vin)

Korak 2: Notch filter

Sljedeća komponenta koju treba dizajnirati je usječeni filter. Vrijednost komponenti ovog filtra uvelike ovisi o frekvenciji koju želite izrezati. Za ovaj dizajn želimo izrezati frekvenciju od 60 Hz (fc) koju oslobađaju medicinski instrumenti.

U ovom dizajnu koristi se dvostruki usjek filtra kako bi se osiguralo da će se izrezati samo željene i da nećemo slučajno umanjiti željene biološke frekvencije blizu oznake 60 Hz. Vrijednosti komponenti pronađene su odabirom proizvoljnih vrijednosti otpornika, od kojih sam odlučio koristiti 2kΩ za niskopropusni filter (gornji T) i 1 kΩ za visokopropusni filter (donji T). Koristeći donju jednadžbu, riješio sam potrebne vrijednosti kondenzatora.

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

Bodeov crtež ponovno je pronađen pomoću.ac sweep funkcije koju nudi LTSpice.

Korak 3: Band Pass filter

Konačna komponenta automatiziranog EKG sustava potrebna je za prolazak bioloških frekvencija jer nas to zanima. Tipični EKG signal javlja se između 0,5 Hz i 150 Hz (fc), stoga se mogu koristiti dva filtra; bilo pojasni prolaz ili niskopropusni filtar. U ovom dizajnu korišten je pojasni propusni filter koji je malo precizniji od niskopropusnog, iako bi on ipak radio jer biološke frekvencije općenito nemaju visoke frekvencije.

Tračni filtar sadrži dva dijela: visokopropusni i niskopropusni. Visokopropusni filter dolazi prije Op pojačala, a niskopropusni nakon. Ne zaboravite da se mogu koristiti različiti dizajni propusnih pojasa.

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

Još jednom se mogu izabrati proizvoljne vrijednosti kako bi se pronašle tražene vrijednosti drugih dijelova. U posljednjem sam filteru odabrao proizvoljne vrijednosti otpornika i riješio vrijednosti kondenzatora. Kako bih pokazao da nije važno s kojim počnete, sada ću izabrati proizvoljne vrijednosti kondenzatora koje ću riješiti za vrijednosti otpornika. U ovom slučaju odabrao sam vrijednost kondenzatora od 1uF. Koristeći gornju jednadžbu, koristim jednu graničnu frekvenciju odjednom za rješavanje odgovarajućeg otpornika. Radi jednostavnosti, upotrijebit ću istu vrijednost kondenzatora i za visokopropusne i za niskopropusne dijelove za propusni filtar. 0,5 Hz će se koristiti za rješavanje visokopropusnog otpornika, a granična frekvencija od 150 Hz koristi se za pronalaženje niskopropusnog otpornika.

Bodeov grafikon može se ponovno upotrijebiti za provjeru je li dizajn kola ispravno funkcionirao.

Korak 4: Potpuni sustav

Nakon što se provjeri da svaka komponenta radi samostalno, dijelovi se mogu kombinirati u jedan sustav. Koristeći uvezene podatke EKG -a i funkciju PWL u generatoru izvora napona, možete pokrenuti simulacije kako biste osigurali da sustav ispravno pojačava i propušta željene biološke frekvencije.

Snimka zaslona gornjeg grafikona primjer je kako izlazni podaci izgledaju pomoću.tran funkcije, a donji snimak zaslona dotičnog prikaza crteža pomoću funkcije.ac.

Mogu se preuzeti različiti ulazni podaci EKG -a (dvije različite ulazne datoteke EKG -a dodane su na ovu stranicu) i staviti u funkciju za testiranje sustava na različitim modeliranim pacijentima.