Automatisierter EKG-Circuit-Simulator - Gunook

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

Ein Elektrokardiogramm (EKG) ist eine leistungsstarke Technik zur Messung der elektrischen Aktivität des Herzens eines Patienten. Die einzigartige Form dieser elektrischen Potentiale unterscheidet sich in Abhängigkeit von der Position der Aufzeichnungselektroden und wurde verwendet, um viele Bedingungen zu erkennen. Durch die Früherkennung einer Vielzahl von Herzerkrankungen können Ärzte ihren Patienten eine Vielzahl von Empfehlungen für ihre Situation geben. Dieses Gerät besteht aus drei Hauptkomponenten: einem Instrumentenverstärker gefolgt von einem Kerbfilter und einem Bandpassfilter. Das Ziel dieser Teile besteht darin, die eingehenden Signale zu verstärken, unerwünschte Signale zu entfernen und alle relevanten biologischen Signale weiterzugeben. Die Analyse des resultierenden Systems bewies, dass das Elektrokardiogramm wie erwartet seine gewünschten Aufgaben erfüllt, um ein brauchbares EKG-Signal zu erzeugen, was seine Nützlichkeit zur Erkennung von Herzzuständen demonstriert.

Lieferungen:

• LTSpice-Software
• EKG-Signaldateien

Schritt 1: Instrumentenverstärker

Der Instrumentenverstärker, manchmal abgekürzt INA, wird verwendet, um die vom Patienten beobachteten niedrigen biologischen Signale zu verstärken. Ein typischer INA besteht aus drei Operationsverstärkern (Op Amps). Zwei Operationsverstärker sollten sich in der nicht invertierenden Konfiguration und der letzte Operationsverstärker in der differentiellen Konfiguration befinden. Sieben Widerstände werden neben den Operationsverstärkern verwendet, damit wir die Verstärkung durch Ändern der Widerstandswertgröße variieren können. Von den Widerständen gibt es drei Paare und eine Einzelgröße.

Für dieses Projekt werde ich eine Verstärkung von 1000 verwenden, um die Signale zu verstärken. Ich werde dann beliebige R2-, R3- und R4-Werte wählen (am einfachsten ist es, wenn R3 und R4 gleich groß sind, da sie sich auf 1 aufheben würden, was den Weg für einfachere Berechnungen ebnet). Von hier aus kann ich für R1 auflösen, um alle erforderlichen Komponentengrößen zu haben.

Verstärkung = (1 + 2R2/R1) * (R4/R3)

Mit der obigen Verstärkungsgleichung und den Werten R2 = 50kΩ und R3 = R4 = 10kΩ erhalten wir R1 = 100Ω.

Um zu überprüfen, ob die Verstärkung tatsächlich 1000 beträgt, können wir die Schaltung mit einer.ac-Sweep-Funktion ausführen und beobachten, wo das Plateau auftritt. In diesem Fall sind es 60 dB. Mit der folgenden Gleichung können wir die dB in dimensionslose Vout/Vin umrechnen, die wie erwartet 1000 sind.

Verstärkung, dB = 20*log(Vout/Vin)

Schritt 2: Kerbfilter

Die nächste zu entwickelnde Komponente ist der Notch-Filter. Der Wert der Komponenten für diesen Filter hängt weitgehend davon ab, welche Frequenz Sie ausblenden möchten. Für dieses Design möchten wir die 60 Hz-Frequenz (fc) ausblenden, die von medizinischen Instrumenten freigesetzt wird.

Ein Twin-T-Notch-Filter wird in diesem Design verwendet, um sicherzustellen, dass nur die gewünschten ausgeschnitten werden und wir nicht versehentlich die gewünschten biologischen Frequenzen in der Nähe der 60-Hz-Marke dämpfen. Die Komponentenwerte wurden durch Auswahl willkürlicher Widerstandswerte gefunden, von denen ich 2kΩ für den Tiefpassfilter (oben T) und 1kΩ für den Hochpassfilter (unten T) gewählt habe. Mit der folgenden Gleichung habe ich nach den erforderlichen Kondensatorwerten gelöst.

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

Der Bode-Plot wurde mit der.ac-Sweep-Funktion von LTSpice erneut gefunden.

Schritt 3: Bandpassfilter

Die letzte Komponente des automatisierten EKG-Systems wird benötigt, um biologische Frequenzen durchzulassen, da wir daran interessiert sind. Das typische EKG-Signal tritt zwischen 0,5 Hz und 150 Hz (fc) auf, daher könnten zwei Filter verwendet werden; entweder ein Bandpassfilter oder ein Tiefpassfilter. In diesem Design wurde ein Bandpassfilter verwendet, da dieser etwas genauer ist als der Tiefpass, obwohl dieser immer noch funktionieren würde, da biologische Frequenzen im Allgemeinen sowieso keine hohen Frequenzen haben.

Ein Bandpassfilter besteht aus zwei Teilen: einem Hochpassfilter und einem Tiefpassfilter. Der Hochpassfilter kommt vor dem Operationsverstärker und der Tiefpass ist danach. Denken Sie daran, dass es eine Vielzahl von Bandpassfilter-Designs gibt, die verwendet werden könnten.

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

Wiederum werden viele willkürliche Werte gewählt, um die erforderlichen Werte anderer Teile zu finden. Im letzten Filter habe ich willkürliche Widerstandswerte gewählt und nach den Kondensatorwerten gelöst. Um zu zeigen, dass es egal ist, mit welchem Sie beginnen, werde ich nun beliebige Kondensatorwerte auswählen, um die Widerstandswerte aufzulösen. In diesem Fall habe ich einen Kondensatorwert von 1uF gewählt. Mit der obigen Gleichung verwende ich jeweils eine Grenzfrequenz, um nach dem jeweiligen Widerstand aufzulösen. Der Einfachheit halber verwende ich den gleichen Kondensatorwert sowohl für den Hochpass- als auch für den Tiefpassteil des Bandpassfilters. Die 0,5 Hz werden verwendet, um nach dem Hochpasswiderstand aufzulösen und die 150 Hz Grenzfrequenz wird verwendet, um den Tiefpasswiderstand zu finden.

Ein Bode-Plot kann wieder verwendet werden, um zu sehen, ob der Schaltungsentwurf richtig funktioniert hat.

Schritt 4: Vollständiges System

Nachdem jede Komponente für sich verifiziert wurde, können die Teile zu einem System kombiniert werden. Mit importierten EKG-Daten und der PWL-Funktion im Spannungsquellengenerator können Sie Simulationen durchführen, um sicherzustellen, dass das System die gewünschten biologischen Frequenzen richtig verstärkt und durchlässt.

Der Screenshot des oberen Plots ist ein Beispiel dafür, wie die Ausgabedaten mit einer.tran-Funktion aussehen, und der Screenshot des unteren Plots ist der entsprechende Bode-Plot mit der.ac-Funktion.

Verschiedene Eingabe-EKG-Daten können heruntergeladen (zwei verschiedene EKG-Eingabedateien wurden dieser Seite hinzugefügt) und in die Funktion zum Testen des Systems an verschiedenen modellierten Patienten gebracht werden.