Simulēta EKG ķēde: 7 soļi

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

Elektrokardiogramma ir izplatīts tests, ko izmanto gan standarta izmeklējumos, gan nopietnu slimību diagnostikā. Šī ierīce, kas pazīstama kā EKG, mēra ķermeņa elektriskos signālus, kas atbild par sirdsdarbības regulēšanu. Tests tiek ievadīts, uzliekot elektrodus uz subjekta ādas un novērojot izvadi, kas izpaužas kā parādītā zināmā EKG viļņu forma. Šajā viļņu formā ir P vilnis, QRS komplekss un T vilnis, kas katrs atspoguļo fizioloģisku reakciju. Šajā rokasgrāmatā tiks aprakstītas EKG simulācijas shēmas simulācijas programmatūrā.

Piegādes:

LTSpice vai līdzīgs ķēdes simulators

1. darbība: izveidojiet instrumentālo pastiprinātāju

Instrumentu pastiprinātāja mērķis ir pastiprināt ļoti mazu signālu, ko bieži ieskauj augsts trokšņa līmenis. Ieejas signāla spriegums EMG parasti ir no 1 mV līdz 5 mV, un šī posma mērķis ir pastiprināt šo signālu ar pastiprinājumu aptuveni 1000. Shēmā redzams, ka pastiprinājumu var kontrolēt ar šādu vienādojumu, kur R1 = R2, R4 = R5 un R6 = R7:

Gain = K1*K2, kur K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

Tāpēc ieguvums tika noteikts vienāds ar 1000, tāpēc K1 un K2 ir aptuveni 31,6. Dažus rezistorus var izvēlēties patvaļīgi un citus aprēķināt, ja vien pastiprinājuma vienādojums ir vienāds ar 1000. Fiziskajā ķēdē elektrodi nonāktu operatīvajos pastiprinātājos, bet simulācijas nolūkos viens ir iezemēts, bet otrs tiek izmantots, lai apzīmētu iespējamā atšķirība. Vin mezgls tiks izmantots, lai vēlāk modelētu ievades viļņus. Vout mezgls ved uz nākamo EKG posmu. Tika izvēlēts operatīvais pastiprinātājs LTC1151, jo tas atrodas LTSpice bibliotēkā, tam ir augsts CMRR un tas ir izmantots medicīnas instrumentos. Šajā sistēmā darbotos jebkurš pamata darbības pastiprinātājs ar barošanas spriegumu +15V un -15V.

2. darbība: izveidojiet iecirtuma filtru

Nākamais EKG posms ir iecirtuma filtrs, lai filtrētu strāvas līnijas traucējumus, kas rodas 60 Hz frekvencē. Griezuma filtrs darbojas, noņemot nelielu signālu diapazonu, kas rodas ļoti tuvu vienreizējai frekvencei. Tāpēc, izmantojot 60 Hz ierobežojuma frekvenci un izslēgšanas frekvences vienādojumu, var izvēlēties atbilstošus rezistorus un kondensatorus. Izmantojot iepriekš minēto shēmu un atzīmējot, ka C = C1 = C2, C3 = 2*C1, R = R10 un R8 = R9 = 2*R10, kondensatora vērtības var izvēlēties patvaļīgi (piemērā parādīts 1uF kondensators). Izmantojot šādu vienādojumu, šajā posmā var aprēķināt un izmantot atbilstošas rezistoru vērtības:

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

Vin mezgls ir instrumentu pastiprinātāja izeja, un Vout mezgls ved uz nākamo posmu.

3. darbība. Izveidojiet joslas caurlaidības filtru

Sistēmas pēdējais posms sastāv no aktīva joslas caurlaides filtra, lai novērstu troksni virs un zem noteiktā frekvenču diapazona. Sākotnējā klaiņošana, ko izraisa laika gaitā mainīgais signāla sākotnējais līmenis, notiek zem 0,6 Hz, un EMG troksnis, ko izraisa muskuļu troksnis, notiek frekvencēs virs 100 Hz. Tāpēc šie skaitļi ir iestatīti kā robežfrekvences. Joslas caurlaidības filtrs sastāv no zemas caurlaidības filtra, kam seko augstas caurlaidības filtrs. Tomēr abiem filtriem ir vienāda izslēgšanas frekvence:

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

Izmantojot 1uF kā patvaļīgu kondensatora vērtību un 0,6 un 100 kā robežfrekvences, rezistora vērtības tika aprēķinātas atbilstošajām filtra daļām. Vin mezgls nāk no iecirtuma filtra izejas, un Vout mezgls ir vieta, kur tiks mērīta visas sistēmas simulētā izeja. Fiziskajā sistēmā šī izeja savienotos ar osciloskopu vai līdzīgu displeja ierīci, lai reālā laikā apskatītu EKG viļņus.

4. darbība: pārbaudiet instrumentu pastiprinātāju

Tālāk tiks pārbaudīts instrumentu pastiprinātājs, lai pārliecinātos, ka tas nodrošina pastiprinājumu 1000. Lai to izdarītu, ievadiet sinusoidālu viļņu patvaļīgā frekvencē un amplitūdā. Šajā piemērā tika izmantota 2 mV maksimālā amplitūda, lai attēlotu EMG vilni un frekvenci 1000 Hz. Simulējiet instrumentu pastiprinātāju ķēdes simulācijas programmatūrā un uzzīmējiet ieejas un izejas viļņu formas. Izmantojot kursora funkciju, ierakstiet ievades un izvades lielumus un aprēķiniet pieaugumu pēc Gain = Vout/Vin. Ja šis pieaugums ir aptuveni 1000, šis posms darbojas pareizi. Šajā posmā var veikt papildu statistisko analīzi, ņemot vērā rezistoru pielaides un mainot rezistoru vērtības par +5% un -5%, lai redzētu, kā tas ietekmē izejas viļņu un turpmāko pastiprinājumu.

5. darbība: pārbaudiet iecirtuma filtru

Pārbaudiet iecirtuma filtru, veicot maiņstrāvas slaucīšanu no diapazona, kas satur 60 Hz. Šajā piemērā slaucīšana tika veikta no 1 Hz līdz 200 Hz. Iegūtais grafiks, mērot Vout mezglā, izvadīs pastiprinājuma grafiku dB un frekvenci Hz. Diagrammai jāsākas un jābeidzas ar 0 dB pastiprinājumu frekvencēs, kas ir tālu no 60 Hz abos virzienos, un vajadzētu redzēt lielu pastiprinājuma kritumu pie 60 Hz vai ļoti tuvu tam. Tas parāda, ka signāli, kas rodas šajā frekvencē, tiek pareizi noņemti no vēlamā signāla. Šajā posmā var veikt papildu statistisko analīzi, ņemot vērā rezistoru pielaides un mainot rezistoru un kondensatoru vērtības par +5% un -5%, lai noskaidrotu, kā tas ietekmē eksperimentālo robežfrekvenci (frekvenci, kas grafiski visvairāk vājina).

6. darbība: pārbaudiet joslas caurlaidības filtru

Visbeidzot, pārbaudiet joslas caurlaidības filtru, veicot citu maiņstrāvas slaucīšanas analīzi. Šoreiz slaucīšanai vajadzētu būt no frekvences, kas mazāka par 0,6 un lielāka par 100, lai nodrošinātu joslas caurlaides grafisku redzamību. Vēlreiz palaidiet analīzi, mērot shēmā redzamajā mezglā Vout. Izejai vajadzētu izskatīties kā attēlā iepriekš, kur pastiprinājums ir negatīvs, jo tālāk no 0,6-100 Hz diapazona. Punktiem, kuros pastiprinājums ir -3dB, jābūt 0,6 un 100 Hz vai vērtībām, kas ir ļoti tuvas attiecīgi pirmā un otrā punkta vērtībām. -3dB punkti norāda, kad signāls tiek vājināts līdz vietai, kur izeja šajās frekvencēs būs puse no sākotnējās jaudas. Tāpēc -3dB punktus izmanto, lai analizētu filtru signālu vājināšanos. Ja -3dB punkti izvadītajā grafikā atbilst joslas caurlaides diapazonam, posms darbojas pareizi.

Šajā posmā var veikt papildu statistisko analīzi, ņemot vērā rezistoru pielaides un mainot rezistoru un kondensatoru vērtības par +5% un -5%, lai redzētu, kā tas ietekmē abas eksperimentālās robežfrekvences.

7. solis: salieciet pilnu EKG sistēmu

Visbeidzot, kad ir apstiprināts, ka visi trīs posmi darbojas pareizi, salieciet visus trīs EKG posmus kopā un tiek iegūts gala rezultāts. Simulētu EKG vilni var ievadīt instrumentu pastiprinātāja stadijā, un izvadītajam vilnim jābūt pastiprinātam EKG vilnim.