Automatiserad EKG -kretssimulator: 4 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:36

Ett elektrokardiogram (EKG) är en kraftfull teknik som används för att mäta den elektriska aktiviteten i patientens hjärta. Den unika formen på dessa elektriska potentialer skiljer sig beroende på plats för inspelningselektroder och har använts för att detektera många förhållanden. Med tidig upptäckt av en mängd olika hjärtsjukdomar kan läkare ge sina patienter en mängd rekommendationer som behandlar deras situation. Denna maskin består av tre huvudkomponenter: en instrumentationsförstärkare följt av ett hackfilter och ett bandpassfilter. Målet med dessa delar är att förstärka de inkommande signalerna, ta bort oönskade signaler och passera alla relevanta biologiska signaler. Analys av det resulterande systemet visade att elektrokardiogrammet, som förväntat, utför sina önskade uppgifter för att producera en användbar EKG -signal, vilket visar dess användbarhet för att detektera hjärtsjukdomar.

Tillbehör:

• LTSpice -programvara
• EKG -signalfiler

Steg 1: Instrumentförstärkare

Instrumentförstärkaren, ibland förkortad INA, används för att förstärka de låga, biologiska signalerna som observeras från patienten. En typisk INA består av tre operationsförstärkare (Op Amps). Två Op-förstärkare ska vara i den icke-inverterande konfigurationen och den sista Op-förstärkaren i differentialkonfigurationen. Sju motstånd används tillsammans med Op -förstärkarna för att låta oss variera förstärkningen genom att ändra storlek på motståndsvärden. Av motstånden finns det tre par och en individuell storlek.

För detta projekt kommer jag att använda en förstärkning på 1000 för att förstärka signalerna. Jag kommer då att välja godtyckliga R2-, R3- och R4 -värden (det är lättast om R3 och R4 är ekvivalenta i storlek eftersom de skulle avbryta till 1, vilket banar väg för enklare beräkningar). Härifrån kan jag lösa för R1 för att ha alla nödvändiga komponentstorlekar.

Förstärkning = (1 + 2R2/R1) * (R4/R3)

Med förstärkningsekvationen ovan och värdena R2 = 50kΩ och R3 = R4 = 10kΩ får vi R1 = 100Ω.

För att kontrollera att förstärkningen faktiskt är 1000 kan vi köra kretsen med en.ac svepfunktion och observera var platån inträffar. I detta fall är det 60 dB. Genom att använda ekvationen nedan kan vi omvandla dB till dimensionslösa Vout/Vin, som slutar vara 1000, som förväntat.

Förstärkning, dB = 20*log (Vout/Vin)

Steg 2: Hakfilter

Nästa komponent som ska designas är hackfilter. Värdet på komponenter för detta filter beror till stor del på vilken frekvens du vill hacka ut. För denna design vill vi klippa ut 60 Hz -frekvensen (fc) som frigörs av medicinsk instrument.

Ett dubbel-t hackfilter som används i denna design för att säkerställa att endast det önskade kommer att klippas ut och att vi inte av misstag kommer att dämpa önskade biologiska frekvenser nära 60 Hz-märket. Komponentvärdena hittades genom att välja godtyckliga motståndsvärden, varav jag valde att använda 2kΩ för lågpassfiltret (övre T) och 1kΩ för högpassfiltret (nedre T). Med hjälp av ekvationen nedan har jag löst de nödvändiga kondensatorvärdena.

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

Bode -tomten hittades återigen med.ac -svepningsfunktionen som LTSpice erbjuder.

Steg 3: Bandpassfilter

Den sista komponenten till det automatiska EKG -systemet behövs för att passera biologiska frekvenser eftersom det är det vi är intresserade av. Den typiska EKG -signalen förekommer mellan 0,5 Hz och 150 Hz (fc), därför kan två filter användas; antingen ett bandpassfilter eller ett lågpassfilter. I denna design användes ett bandpassfilter eftersom det är lite mer exakt än lågpasset, även om det fortfarande skulle fungera eftersom biologiska frekvenser i allmänhet inte har höga frekvenser ändå.

Ett bandpassfilter innehåller två delar: ett högpassfilter och ett lågpassfilter. Högpassfiltret kommer före Op Amp och lågpasset är efter. Kom ihåg att det finns en mängd olika bandpassfilter som kan användas.

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

Återigen väljs godtyckliga värden mycket för att hitta de nödvändiga värdena för andra delar. I det sista filtret valde jag godtyckliga motståndsvärden och löste för kondensatorns värden. För att visa att det inte spelar någon roll vilken du börjar med, kommer jag nu att välja godtyckliga kondensatorvärden som ska lösas för motståndsvärdena. I det här fallet valde jag ett kondensatorvärde på 1uF. Med hjälp av ekvationen ovan använder jag en gränsfrekvens i taget för att lösa för respektive motstånd. För enkelhetens skull kommer jag att använda samma kondensatorvärde för både högpass- och lågpassdelar till bandpassfiltret. 0,5 Hz kommer att användas för att lösa för högpassmotståndet och 150 Hz avstängningsfrekvens används för att hitta lågpassmotståndet.

En Bode -plot kan återigen användas för att se om kretsdesignen fungerade korrekt.

Steg 4: Fullständigt system

Efter att varje komponent har verifierats för att fungera på egen hand kan delarna kombineras till ett system. Med hjälp av importerade EKG -data och PWL -funktionen i spänningskällgeneratorn kan du köra simuleringar för att säkerställa att systemet förstärker och passerar de önskade biologiska frekvenserna korrekt.

Skärmbilden överst i diagrammet är ett exempel på hur utdata ser ut med hjälp av en.tran -funktion och skärmdumpen längst ned är respektive bode -plot med.ac -funktionen.

Olika ingångs -EKG -data kan laddas ner (två olika EKG -inmatningsfiler har lagts till på denna sida) och tas med i funktionen för att testa systemet på olika modellerade patienter.