Automatisiertes EKG-Schaltungsmodell - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

Das Ziel dieses Projekts ist es, ein Schaltungsmodell mit mehreren Komponenten zu erstellen, das ein eingehendes EKG-Signal angemessen verstärken und filtern kann. Drei Komponenten werden einzeln modelliert: ein Instrumentenverstärker, ein aktiver Notchfilter und ein passiver Bandpassfilter. Sie werden kombiniert, um das endgültige EKG-Schaltungsmodell zu erstellen. Die gesamte Schaltungsmodellierung und das Testen wurden in LTspice durchgeführt, aber andere Schaltungssimulationsprogramme würden auch funktionieren.

Schritt 1: Instrumentenverstärker

Dies wird die erste Komponente des vollständigen EKG-Modells sein. Sein Zweck besteht darin, das eingehende EKG-Signal zu verstärken, das anfangs eine sehr niedrige Spannung hat. Ich entschied mich, Operationsverstärker und resistive Komponenten so zu kombinieren, dass eine Verstärkung von 1000 erzielt wird. Das erste Bild zeigt das in LTspice modellierte Instrumentenverstärkerdesign. Das zweite Bild zeigt relevante Gleichungen und durchgeführte Berechnungen. Nach der vollständigen Modellierung wurde eine transiente Analyse eines sinusförmigen Eingangssignals von 1 mV bei 75 Hz in LTspice durchgeführt, um eine Verstärkung von 1000 zu bestätigen. Das dritte Bild zeigt die Ergebnisse dieser Analyse.

Schritt 2: Aktiver Notch-Filter

Dies wird die zweite Komponente des vollständigen EKG-Modells sein. Sein Zweck besteht darin, Signale mit einer Frequenz von 60 Hz zu dämpfen, was der Frequenz der Netzspannungsstörungen entspricht. Dies verzerrt EKG-Signale und tritt typischerweise in allen klinischen Situationen auf. Ich entschied mich, einen Operationsverstärker mit resistiven und kapazitiven Komponenten in einer Twin-T-Notch-Filterkonfiguration zu kombinieren. Das erste Bild zeigt das in LTspice modellierte Notch-Filter-Design. Das zweite Bild zeigt relevante Gleichungen und durchgeführte Berechnungen. Nach der vollständigen Modellierung wurde ein AC-Sweep eines sinusförmigen Eingangssignals von 1 V von 1 Hz - 100 kHz in LTspice durchgeführt, um eine Kerbe bei 60 Hz zu bestätigen. Das dritte Bild zeigt die Ergebnisse dieser Analyse. Die leichte Abweichung der Simulationsergebnisse im Vergleich zu den erwarteten Ergebnissen ist wahrscheinlich auf die Rundung zurückzuführen, die bei der Berechnung der ohmschen und kapazitiven Komponenten dieser Schaltung vorgenommen wurde.

Schritt 3: Passiver Bandpassfilter

Dies wird die dritte Komponente des vollständigen EKG-Modells sein. Sein Zweck besteht darin, Signale herauszufiltern, die nicht im Bereich von 0,05 Hz - 250 Hz liegen, da dies der Bereich eines typischen Erwachsenen-EKGs ist. Ich entschied mich, resistive und kapazitive Komponenten zu kombinieren, so dass der Hochpass-Cutoff 0,05 Hz und der Tiefpass-Cutoff 250 Hz betragen würde. Das erste Bild zeigt das in LTspice modellierte Design des passiven Bandpassfilters. Das zweite Bild zeigt relevante Gleichungen und durchgeführte Berechnungen. Nach der vollständigen Modellierung wurde ein AC-Sweep eines sinusförmigen Eingangssignals von 1 V von 0,01 Hz - 100 kHz in LTspice durchgeführt, um die Hoch- und Tiefpass-Grenzfrequenzen zu bestätigen. Das dritte Bild zeigt die Ergebnisse dieser Analyse. Die leichte Abweichung der Simulationsergebnisse im Vergleich zu den erwarteten Ergebnissen ist wahrscheinlich auf die Rundung zurückzuführen, die bei der Berechnung der ohmschen und kapazitiven Komponenten dieser Schaltung vorgenommen wurde.

Schritt 4: Schaltungskomponenten kombinieren

Nachdem alle Komponenten einzeln konstruiert und getestet wurden, können sie in der Reihenfolge ihrer Entstehung in Serie kombiniert werden. Dies führt zu einem vollständigen EKG-Schaltungsmodell, das zunächst einen Instrumentenverstärker enthält, um das Signal 1000x zu verstärken. Dann wird ein Kerbfilter verwendet, um das Rauschen der 60-Hz-Wechselstromnetzspannung zu eliminieren. Schließlich lässt der Bandpassfilter kein Signal durch, das außerhalb des Bereichs eines typischen Erwachsenen-EKGs (0,05 Hz – 250 Hz) liegt. Nach der Kombination, wie im ersten Bild gezeigt, können in LTspice eine Transientenanalyse und ein vollständiger AC-Sweep mit einer Eingangsspannung von 1 mV (sinusförmig) durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Komponenten wie erwartet zusammenarbeiten. Das zweite Bild zeigt die Ergebnisse der Transientenanalyse, die eine Signalverstärkung von 1 mV bis ~0,85 V zeigen. Dies bedeutet, dass entweder die Notch- oder Bandpassfilterkomponenten das Signal leicht dämpfen, nachdem es anfänglich vom Instrumentenverstärker 1000-fach verstärkt wurde. Das dritte Bild zeigt die AC-Sweep-Ergebnisse. Dieses Bode-Plot zeigt Hoch- und Tiefpass-Cutoffs, die bei Einzelprüfung denen des Bode-Plots des Bandpassfilters entsprechen. Es gibt auch einen leichten Einbruch um 60 Hz, wo der Notch-Filter arbeitet, um unerwünschtes Rauschen zu entfernen.