Simulirani krug EKG -a: 7 koraka

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

Elektrokardiogram je uobičajen test koji se koristi i kod standardnih pregleda i u dijagnostici ozbiljnih bolesti. Ovaj uređaj, poznat kao EKG, mjeri električne signale unutar tijela odgovorne za regulaciju otkucaja srca. Test se provodi primjenom elektroda na kožu subjekta i promatranjem izlaza, koji ima oblik poznatog prikazanog EKG valnog oblika. Ovaj valni oblik sadrži P val, QRS kompleks i T val koji svaki predstavlja fiziološki odgovor. Ovaj će vodič proći korake simulacije EKG -a u softveru za simulaciju kruga.

Pribor:

LTSpice ili sličan simulator sklopa

Korak 1: Izgradite instrumentalno pojačalo

Svrha instrumentalnog pojačala je pojačati vrlo mali signal koji je često okružen visokom razinom šuma. Napon ulaznog signala u EMG obično je između 1 mV i 5 mV, a svrha ove faze je pojačati taj signal s pojačanjem od približno 1000. Prikazano u shemi, pojačanje se može kontrolirati sljedećom jednadžbom gdje R1 = R2, R4 = R5 i R6 = R7:

Dobit = K1*K2, gdje je K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

Dobit je stoga postavljena jednakom 1000, pa su K1 i K2 približno 31,6. Neki otpornici mogu se birati proizvoljno, a drugi izračunavati, sve dok je jednadžba pojačanja zadovoljena na 1000. U fizičkom krugu, elektrode bi išle u operativna pojačala, ali za potrebe simulacije jedan je uzemljen, a drugi se koristi za označavanje razlika potencijala. Čvor Vin će se koristiti za kasniju simulaciju ulaznih valova. Čvor Vout vodi do sljedeće faze EKG -a. Operaciono pojačalo LTC1151 odabrano je jer se nalazi u knjižnici LTSpice, ima visoku CMRR i koristilo se u medicinskim instrumentima. U ovom sustavu radilo bi svako osnovno operativno pojačalo s naponom napajanja od +15V i -15V.

Korak 2: Izradite Notch filter

Sljedeća faza u EKG -u je urezani filter za filtriranje smetnji na dalekovodu koje se javljaju na frekvenciji od 60 Hz. Urezani filter radi uklanjanjem malog raspona signala koji se javljaju na vrlo bliskoj frekvenciji. Stoga se pomoću granične frekvencije od 60 Hz i jednadžbe granične frekvencije mogu odabrati odgovarajući otpornici i kondenzatori. Koristeći gornju shemu i napominjući da je C = C1 = C2, C3 = 2*C1, R = R10 i R8 = R9 = 2*R10, vrijednosti kondenzatora mogu se proizvoljno izabrati (Primjer prikazuje odabrani kondenzator od 1uF). Koristeći sljedeću jednadžbu, odgovarajuće vrijednosti otpornika mogu se izračunati i koristiti u ovoj fazi:

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

Čvor Vin je izlaz iz instrumentacijskog pojačala, a čvor Vout vodi do sljedeće faze.

Korak 3: Izradite pojasni filtar

Posljednja faza sustava sastoji se od aktivnog propusnog filtra za uklanjanje šuma iznad i ispod određenog raspona frekvencija. Osnovno lutanje, uzrokovano promjenom osnovne vrijednosti signala s vremenom, događa se ispod 0,6 Hz, a EMG šum, uzrokovan prisutnošću mišićne buke, javlja se na frekvencijama iznad 100 Hz. Stoga su ti brojevi postavljeni kao granične frekvencije. Propusni filtar sastoji se od niskopropusnog filtra nakon kojeg slijedi visokopropusni filter. Međutim, oba filtera imaju istu graničnu frekvenciju:

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

Koristeći 1uF kao proizvoljnu vrijednost kondenzatora, te 0,6 i 100 kao granične frekvencije, vrijednosti otpornika su izračunate za odgovarajuće dijelove filtra. Čvor Vin dolazi iz izlaza zareznog filtera, a čvor Vout je mjesto gdje će se mjeriti simulirani izlaz cijelog sustava. U fizičkom sustavu, ovaj bi se izlaz spojio na osciloskop ili sličan uređaj za prikaz za pregled EKG valova u stvarnom vremenu.

Korak 4: Testirajte instrumentalno pojačalo

Zatim će se instrumentacijsko pojačalo testirati kako bi se osiguralo da daje dobitak od 1000. Da biste to učinili, unesite sinusoidni val na proizvoljnoj frekvenciji i amplitudi. Ovaj primjer je koristio amplitudu 2mV od vrha do vrha za predstavljanje EMG vala i frekvencije od 1000 Hz. Simulirajte instrumentacijsko pojačalo u softveru za simulaciju kruga i iscrtajte ulazne i izlazne valne oblike. Pomoću funkcije kursora zabilježite ulazne i izlazne veličine i izračunajte pojačanje po Gain = Vout/Vin. Ako je ovaj dobitak približno 1000, ova faza radi ispravno. Dodatna statistička analiza može se provesti u ovoj fazi uzimajući u obzir tolerancije otpornika i mijenjajući vrijednosti otpornika za +5% i -5% kako bi se vidjelo kako to utječe na izlazni val i kasnije pojačanje.

Korak 5: Testirajte Notch filter

Testirajte urezni filter izvođenjem izmjenične struje iz raspona koji sadrži 60 Hz. U ovom primjeru, premotavanje se odvijalo od 1 Hz do 200 Hz. Rezultirajući grafikon, mjeren na čvoru Vout, prikazat će grafikon pojačanja u dB u odnosu na frekvenciju u Hz. Grafikon bi trebao početi i završiti pojačanjem od 0 dB na frekvencijama daleko od 60 Hz u oba smjera, a veliki pad pojačanja trebao bi se pojaviti na ili blizu 60 Hz. Ovo pokazuje da se signali koji se javljaju na ovoj frekvenciji pravilno uklanjaju iz željenog signala. Dodatna statistička analiza može se provesti u ovoj fazi uzimajući u obzir tolerancije otpornika i mijenjajući vrijednosti otpornika i kondenzatora za +5% i -5% da se vidi kako to utječe na eksperimentalnu graničnu frekvenciju (frekvencija koja grafički doživljava najveće slabljenje).

Korak 6: Testirajte pojasni filtar

Na kraju, testirajte pojasni filtar tako što ćete izvršiti drugu analizu čišćenja izmjeničnom strujom. Ovaj put, premotavanje bi trebalo biti s frekvencije manje od 0,6 i veće od 100 kako bi se osiguralo da se propusni opseg može grafički vidjeti. Još jednom pokrenite analizu mjerenjem na čvoru Vout prikazanom na shemi. Izlaz bi trebao izgledati kao gornja slika gdje je pojačanje negativno dalje od raspona 0,6-100Hz. Točke u kojima je pojačanje -3dB trebale bi biti 0,6 i 100 Hz, odnosno vrijednosti vrlo blizu onima za prvu i drugu točku. Točke -3dB označavaju kada je signal oslabljen do točke gdje će izlaz na tim frekvencijama biti polovica izvorne snage. Stoga se točke od -3dB koriste za analizu slabljenja signala za filtre. Ako točke od -3dB na izlaznom grafikonu odgovaraju rasponu pojasa, pozornica radi ispravno.

Dodatna statistička analiza može se provesti u ovoj fazi uzimajući u obzir tolerancije otpornika i mijenjajući vrijednosti otpornika i kondenzatora za +5% i -5% kako bi se vidjelo kako to utječe na obje eksperimentalne granične frekvencije.

Korak 7: Sastavite cijeli EKG sustav

Konačno, kad se potvrdi da sve tri faze rade ispravno, spojite sve tri faze EKG -a zajedno i konačni rezultat je gotov. Simulirani EKG val može se unijeti u stupanj instrumentalnog pojačala, a izlazni val trebao bi biti pojačani EKG val.