Simulerad EKG -krets: 7 steg

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

Ett elektrokardiogram är ett vanligt test som används vid både standardundersökningar och diagnoser av allvarliga sjukdomar. Denna enhet, känd som ett EKG, mäter de elektriska signalerna i kroppen som ansvarar för att reglera hjärtslaget. Testet administreras genom att applicera elektroder på patientens hud och observera utsignalen, som har formen av den kända EKG -vågformen som visas. Denna vågform innehåller en P -våg, QRS -komplex och T -våg som var och en representerar ett fysiologiskt svar. Denna guide kommer att gå igenom stegen för att simulera ett EKG i en kretssimuleringsprogramvara.

Tillbehör:

LTSpice eller liknande kretssimulator

Steg 1: Bygg en instrumentförstärkare

Syftet med en instrumentförstärkare är att förstärka en mycket liten signal som ofta omges av höga ljudnivåer. Spänningen hos insignalen till ett EMG är vanligtvis mellan 1 mV till 5 mV och syftet med detta steg är att förstärka den signalen med en förstärkning på cirka 1000. Visas i schemat kan förstärkningen styras av följande ekvation där R1 = R2, R4 = R5 och R6 = R7:

Förstärkning = K1*K2, där K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

Förstärkningen sattes därför till 1000, så K1 och K2 är cirka 31,6. Vissa motstånd kan väljas godtyckligt och andra beräknas, så länge förstärkningsekvationen är lika med 1000. I en fysisk krets skulle elektroderna gå in i operationsförstärkarna, men för simuleringsändamål är den ena jordad och den andra används för att markera potentialskillnaden. Vin -noden kommer att användas för att senare simulera ingångsvågor. Vout -noden leder till nästa steg i EKG. En LTC1151 operationsförstärkare valdes eftersom den ligger i LTSpice -biblioteket, har en hög CMRR och har använts i medicinsk instrumentering. Alla grundläggande driftförstärkare med matningsspänning på +15V och -15V skulle fungera i detta system.

Steg 2: Bygg ett hackfilter

Nästa steg i EKG är ett hackfilter för att filtrera bort störningar i kraftledningen som uppstår med en frekvens på 60 Hz. Ett hackfilter fungerar genom att ta bort ett litet antal signaler som uppträder vid mycket nära en singelfrekvens. Därför kan lämpliga motstånd och kondensatorer väljas genom att använda en gränsfrekvens på 60 Hz och gränsfrekvensekvationen. Med hjälp av schemat ovan och noterar att C = C1 = C2, C3 = 2*C1, R = R10 och R8 = R9 = 2*R10, kan kondensatorvärden väljas godtyckligt (exemplet visar en 1uF kondensator vald). Med hjälp av följande ekvation kan lämpliga motståndsvärden beräknas och användas i detta steg:

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

Vin -noden är utsignalen från instrumentationsförstärkaren och Vout -noden leder till nästa steg.

Steg 3: Bygg ett bandpassfilter

Det sista steget i systemet består av ett aktivt bandpassfilter för att avlägsna brus över och under ett visst frekvensområde. Baslinjevandring, orsakad av baslinjen för signalen som varierar med tiden, förekommer under 0,6 Hz och EMG -brus, orsakat av närvaro av muskelbrus, förekommer vid frekvenser över 100 Hz. Därför ställs dessa nummer in som avstängningsfrekvenser. Bandpassfiltret består av ett lågpassfilter följt av ett högpassfilter. Båda filtren har dock samma cutoff -frekvens:

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

Med användning av 1uF som ett godtyckligt kondensatorvärde och 0,6 och 100 som avstängningsfrekvenser beräknades motståndsvärdena för lämpliga delar av filtret. Vin -noden kommer från utsignalen från hackfilteret och Vout -noden är där den simulerade utmatningen från hela systemet kommer att mätas. I ett fysiskt system skulle denna utgång ansluta till ett oscilloskop eller liknande displayenhet för att se EKG -vågorna i realtid.

Steg 4: Testa instrumentförstärkaren

Därefter kommer instrumentationsförstärkaren att testas för att säkerställa att den ger en förstärkning på 1000. För att göra detta, mata in en sinusformad våg vid en godtycklig frekvens och amplitud. Detta exempel använde en 2 mV topp till topp amplitud för att representera en EMG -våg och en frekvens på 1000 Hz. Simulera instrumentationsförstärkaren i kretssimuleringsprogramvaran och rita in och utgående vågformer. Med en markörfunktion kan du registrera in- och utmatningsstorleken och beräkna förstärkningen med Gain = Vout/Vin. Om denna förstärkning är cirka 1000 fungerar detta steg korrekt. Ytterligare statistisk analys kan utföras på detta stadium genom att ta hänsyn till motståndstoleranser och ändra motståndsvärden med +5% och -5% för att se hur det påverkar utgångsvågan och efterföljande förstärkning.

Steg 5: Testa hackfiltret

Testa hackfiltret genom att utföra ett AC -svep från ett område som innehåller 60 Hz. I detta exempel kördes svepningen från 1 Hz till 200 Hz. Den resulterande diagrammet, mätt vid Vout -noden, kommer att mata ut ett diagram över förstärkning i dB mot frekvens i Hz. Diagrammet bör börja och sluta med en 0 dB förstärkning vid frekvenser långt från 60 Hz i båda riktningarna och ett stort fall i förstärkning bör visas vid eller mycket nära 60 Hz. Detta visar att signaler som uppträder vid denna frekvens avlägsnas korrekt från den önskade signalen. Ytterligare statistisk analys kan utföras på detta stadium genom att ta hänsyn till motståndstoleranser och ändra motstånds- och kondensatorvärden med +5% och -5% för att se hur det påverkar den experimentella gränsfrekvensen (frekvensen som upplever mest dämpning grafiskt).

Steg 6: Testa bandpassfiltret

Testa slutligen bandpassfiltret genom att utföra en annan AC -svepningsanalys. Denna gång bör svepningen ske från en frekvens mindre än 0,6 och större än 100 för att säkerställa att bandpasset kan ses grafiskt. Återigen, kör analysen genom att mäta vid Vout -noden som visas i schemat. Utgången ska se ut som figuren ovan där förstärkningen är negativ ju längre från 0,6-100Hz-intervallet. De punkter vid vilka förstärkningen är -3dB bör vara 0,6 och 100 Hz, eller värden mycket nära dem för den första respektive andra punkten. -3dB -punkterna anger när en signal dämpas till den punkt där utsignalen vid dessa frekvenser kommer att vara hälften av den ursprungliga effekten. Därför används -3dB -punkterna för att analysera dämpning av signaler för filter. Om -3dB -punkterna på det utmatade diagrammet matchar bandpassområdet, fungerar scenen korrekt.

Ytterligare statistisk analys kan utföras på detta stadium genom att ta hänsyn till motståndstoleranser och ändra motstånds- och kondensatorvärden med +5% och -5% för att se hur det påverkar båda experimentella avstängningsfrekvenser.

Steg 7: Sätt ihop hela EKG -systemet

Slutligen, när alla tre etappen bekräftas fungera korrekt, placera alla tre etappen i EKG tillsammans och det slutliga resultatet är klart. En simulerad EKG -våg kan matas in i instrumentförstärkarsteget och den utmatade vågen bör vara en förstärkt EKG -våg.