Automatizēts EKG ķēdes simulators: 4 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:51

Elektrokardiogramma (EKG) ir spēcīga metode, ko izmanto pacienta sirds elektriskās aktivitātes mērīšanai. Šo elektrisko potenciālu unikālā forma atšķiras atkarībā no ierakstīšanas elektrodu atrašanās vietas un ir izmantota daudzu apstākļu noteikšanai. Ar agrīnu dažādu sirds slimību atklāšanu ārsti var sniegt saviem pacientiem daudzus ieteikumus viņu situācijai. Šī mašīna sastāv no trim galvenajām sastāvdaļām: instrumentu pastiprinātāja, kam seko iecirtuma filtrs un joslas caurlaidības filtrs. Šo daļu mērķis ir pastiprināt ienākošos signālus, noņemt nevēlamus signālus un nodot visus attiecīgos bioloģiskos signālus. Iegūtās sistēmas analīze pierādīja, ka elektrokardiogramma, kā gaidīts, veic vēlamos uzdevumus, lai radītu lietojamu EKG signālu, parādot tās lietderību sirds slimību noteikšanai.

Piegādes:

• LTSpice programmatūra
• EKG signāla faili

1. darbība: Instrumentu pastiprinātājs

Instrumentu pastiprinātājs, dažreiz saīsināts INA, tiek izmantots, lai pastiprinātu zema līmeņa bioloģiskos signālus, kas tiek novēroti no pacienta. Tipisks INA sastāv no trim darbības pastiprinātājiem (Op Amps). Diviem op pastiprinātājiem jābūt neinvertējošā konfigurācijā un pēdējam op pastiprinātājam diferenciālajā konfigurācijā. Līdzās Op pastiprinātājiem tiek izmantoti septiņi rezistori, lai mēs varētu mainīt ieguvumus, mainot rezistoru vērtību izmērus. No rezistoriem ir trīs pāri un viens individuāls izmērs.

Šim projektam es izmantošu pastiprinājumu 1000, lai pastiprinātu signālus. Pēc tam es izvēlos patvaļīgas R2, R3 un R4 vērtības (visvieglāk, ja R3 un R4 ir vienāda lieluma, jo tās atceltu līdz 1, bruģējot ceļu vienkāršākiem aprēķiniem). No šejienes es varu atrisināt, vai R1 ir visi nepieciešamie komponentu izmēri.

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

Izmantojot iepriekš minēto pastiprinājuma vienādojumu un vērtības R2 = 50kΩ un R3 = R4 = 10kΩ, mēs iegūstam R1 = 100Ω.

Lai pārbaudītu, vai ieguvums patiesībā ir 1000, mēs varam palaist ķēdi ar.ac slaucīšanas funkciju un novērot, kur notiek plato. Šajā gadījumā tas ir 60 dB. Izmantojot zemāk esošo vienādojumu, mēs varam pārvērst dB bezizmēra Vout/Vin, kas galu galā ir 1000, kā gaidīts.

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

2. darbība: iecirtuma filtrs

Nākamais projektējamais komponents ir iecirtuma filtrs. Šī filtra komponentu vērtība lielā mērā ir atkarīga no tā, cik bieži vēlaties izgriezt. Šim dizainam mēs vēlamies izgriezt 60 Hz frekvenci (fc), ko atbrīvo medicīniskie instrumenti.

Šajā konstrukcijā jāizmanto divu t iecirtumu filtrs, lai nodrošinātu, ka tiek izgriezts tikai vēlamais un ka mēs nejauši nenovājinām vēlamās bioloģiskās frekvences 60 Hz atzīmes tuvumā. Komponentu vērtības tika atrastas, izvēloties patvaļīgas rezistoru vērtības, no kurām es izvēlējos izmantot 2kΩ zemas caurlaidības filtram (augšējais T) un 1kΩ augstas caurlaidības filtram (apakšā T). Izmantojot zemāk esošo vienādojumu, es atrisināju nepieciešamās kondensatora vērtības.

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

Bodes diagramma tika atrasta vēlreiz, izmantojot.ac slaucīšanas funkciju, ko piedāvā LTSpice.

3. darbība: joslas caurlaides filtrs

Automatizētās EKG sistēmas pēdējā sastāvdaļa ir nepieciešama, lai izietu no bioloģiskajām frekvencēm, jo tas mūs interesē. Tipiskais EKG signāls rodas no 0,5 Hz līdz 150 Hz (fc), tāpēc var izmantot divus filtrus; vai nu caurlaides filtrs, vai zemas caurlaidības filtrs. Šajā dizainā tika izmantots joslas caurlaidības filtrs, jo tas ir nedaudz precīzāks par zemo caurlaidību, lai gan tas joprojām darbotos, jo bioloģiskajām frekvencēm parasti nav augstu frekvenču.

Joslas caurlaidības filtrs sastāv no divām daļām: augstas caurlaidības filtra un zemas caurlaidības filtra. Augstās caurlaides filtrs ir pirms Op Amp, bet zemā caurlaide - pēc. Atcerieties, ka var izmantot dažādus joslas caurlaidības filtru veidus.

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

Vēlreiz ir jāizvēlas patvaļīgas vērtības, lai atrastu citu daļu nepieciešamās vērtības. Pēdējā filtrā es izvēlējos patvaļīgas rezistoru vērtības un atrisināju kondensatora vērtības. Lai parādītu, ka nav nozīmes tam, ar ko jūs sāksit, tagad es izvēlos patvaļīgas kondensatora vērtības, kuras risināt rezistoru vērtībām. Šajā gadījumā es izvēlējos kondensatora vērtību 1uF. Izmantojot iepriekš minēto vienādojumu, es izmantoju vienu izslēgšanas frekvenci vienlaikus, lai atrisinātu attiecīgo rezistoru. Vienkāršības labad es izmantoju to pašu kondensatora vērtību gan augstās, gan zemās caurlaides daļām joslas caurlaidības filtram. 0,5 Hz tiks izmantots, lai atrisinātu augstas caurlaidības rezistoru, un 150 Hz izslēgšanas frekvence tiek izmantota, lai atrastu zemas caurlaidības rezistoru.

Bodes diagrammu atkal var izmantot, lai pārbaudītu, vai shēmas dizains ir pienācīgi darbojies.

4. solis: pilna sistēma

Pēc tam, kad ir pārbaudīts, vai katra sastāvdaļa darbojas atsevišķi, tās var apvienot vienā sistēmā. Izmantojot importētos EKG datus un PWL funkciju sprieguma avota ģeneratorā, varat veikt simulācijas, lai pārliecinātos, ka sistēma pareizi pastiprina un nodod vēlamās bioloģiskās frekvences.

Augšējā diagrammas ekrānuzņēmums ir piemērs tam, kā izskatās izvaddati, izmantojot funkciju.tran, un apakšējais grafika ekrānuzņēmums ir attiecīgais bodes grafiks, izmantojot funkciju.ac.

Var lejupielādēt dažādus ievades EKG datus (šai lapai ir pievienoti divi dažādi EKG ievades faili) un tos var izmantot, lai pārbaudītu sistēmu dažādiem modelētiem pacientiem.