Simulierter EKG-Schaltkreis - Gunook

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

Ein Elektrokardiogramm ist ein gängiger Test, der sowohl bei Standarduntersuchungen als auch bei der Diagnose schwerwiegender Krankheiten verwendet wird. Dieses als EKG bekannte Gerät misst die elektrischen Signale im Körper, die für die Regulierung des Herzschlags verantwortlich sind. Der Test wird durchgeführt, indem Elektroden auf die Haut der Person aufgebracht werden und die Ausgabe beobachtet wird, die die Form der gezeigten bekannten EKG-Wellenform annimmt. Diese Wellenform enthält eine P-Welle, einen QRS-Komplex und eine T-Welle, die jeweils eine physiologische Reaktion darstellen. In dieser Anleitung werden die Schritte zum Simulieren eines EKGs in einer Schaltungssimulationssoftware beschrieben.

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LTSpice oder ähnlicher Schaltungssimulator

Schritt 1: Bauen Sie einen Instrumentenverstärker

Der Zweck eines Instrumentenverstärkers besteht darin, ein sehr kleines Signal zu verstärken, das oft von hohem Rauschen umgeben ist. Die Spannung des Eingangssignals in ein EMG liegt typischerweise zwischen 1 mV und 5 mV und der Zweck dieser Stufe besteht darin, dieses Signal mit einer Verstärkung von ungefähr 1000 zu verstärken. Im Schaltplan gezeigt, kann die Verstärkung durch die folgende Gleichung gesteuert werden: R1 = R2, R4 = R5 und R6 = R7:

Verstärkung = K1*K2, wobei K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

Die Verstärkung wurde daher gleich 1000 gesetzt, so dass K1 und K2 ungefähr 31,6 betragen. Einige Widerstände können willkürlich gewählt und andere berechnet werden, solange die Verstärkungsgleichung gleich 1000 ist. In einer physikalischen Schaltung würden die Elektroden in die Operationsverstärker gehen, aber für Simulationszwecke ist einer geerdet und der andere wird verwendet, um anzuzeigen die Potentialdifferenz. Der Vin-Knoten wird verwendet, um später Eingangswellen zu simulieren. Der Vout-Knoten führt zur nächsten Stufe des EKGs. Die Wahl fiel auf einen Operationsverstärker LTC1151, der sich in der LTSpice-Bibliothek befindet, eine hohe CMRR hat und in medizinischen Instrumenten verwendet wird. Jeder einfache Operationsverstärker mit einer Versorgungsspannung von +15V und -15V würde in diesem System funktionieren.

Schritt 2: Erstellen Sie einen Notch-Filter

Die nächste Stufe im EKG ist ein Notch-Filter zum Herausfiltern von Netzstörungen, die bei einer Frequenz von 60 Hz auftreten. Ein Notch-Filter funktioniert, indem es einen kleinen Bereich von Signalen entfernt, die sehr nahe an einer singulären Frequenz auftreten. Daher können unter Verwendung einer Grenzfrequenz von 60 Hz und der Grenzfrequenzgleichung geeignete Widerstände und Kondensatoren ausgewählt werden. Unter Verwendung des obigen Schemas und unter Beachtung von C = C1 = C2, C3 = 2 * C1, R = R10 und R8 = R9 = 2 * R10 können die Kondensatorwerte beliebig gewählt werden (Das Beispiel zeigt einen ausgewählten 1uF-Kondensator). Mit der folgenden Gleichung können geeignete Widerstandswerte berechnet und in dieser Phase verwendet werden:

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

Der Knoten Vin ist der Ausgang des Instrumentenverstärkers und der Knoten Vout führt zur nächsten Stufe.

Schritt 3: Erstellen Sie einen Bandpassfilter

Die letzte Stufe des Systems besteht aus einem aktiven Bandpassfilter, um Rauschen oberhalb und unterhalb eines bestimmten Frequenzbereichs zu entfernen. Basislinienwanderung, verursacht durch die zeitlich variierende Basislinie des Signals, tritt unterhalb von 0,6 Hz auf, und EMG-Rauschen, verursacht durch das Vorhandensein von Muskelgeräuschen, tritt bei Frequenzen über 100 Hz auf. Daher werden diese Zahlen als Grenzfrequenzen festgelegt. Der Bandpassfilter besteht aus einem Tiefpassfilter gefolgt von einem Hochpassfilter. Beide Filter haben jedoch die gleiche Grenzfrequenz:

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

Unter Verwendung von 1uF als willkürlichen Kondensatorwert und 0,6 und 100 als Grenzfrequenzen wurden die Widerstandswerte für die entsprechenden Teile des Filters berechnet. Der Knoten Vin kommt von der Ausgabe des Kerbfilters und der Knoten Vout ist der Ort, an dem die simulierte Ausgabe des gesamten Systems gemessen wird. In einem physischen System würde dieser Ausgang mit einem Oszilloskop oder einem ähnlichen Anzeigegerät verbunden, um die EKG-Wellen in Echtzeit anzuzeigen.

Schritt 4: Testen Sie den Instrumentenverstärker

Als nächstes wird der Instrumentenverstärker getestet, um sicherzustellen, dass er eine Verstärkung von 1000 bietet. Geben Sie dazu eine Sinuswelle mit einer beliebigen Frequenz und Amplitude ein. In diesem Beispiel wurde eine 2 mV Spitze-zu-Spitze-Amplitude verwendet, um eine EMG-Welle und eine Frequenz von 1000 Hz darzustellen. Simulieren Sie den Instrumentenverstärker in der Schaltungssimulationssoftware und zeichnen Sie die Eingangs- und Ausgangswellenformen. Zeichnen Sie mit einer Cursorfunktion die Eingangs- und Ausgangsgrößen auf und berechnen Sie die Verstärkung durch Gain = Vout/Vin. Wenn diese Verstärkung ungefähr 1000 beträgt, funktioniert diese Stufe ordnungsgemäß. Auf dieser Stufe kann eine zusätzliche statistische Analyse durchgeführt werden, indem Widerstandstoleranzen berücksichtigt und die Widerstandswerte um +5% und -5% modifiziert werden, um zu sehen, wie sich dies auf die Ausgangswelle und die nachfolgende Verstärkung auswirkt.

Schritt 5: Testen Sie den Notch-Filter

Testen Sie den Notch-Filter, indem Sie einen AC-Sweep aus einem Bereich von 60 Hz durchführen. In diesem Beispiel wurde der Sweep von 1 Hz bis 200 Hz durchgeführt. Das resultierende Diagramm, wenn es am Vout-Knoten gemessen wird, gibt ein Diagramm der Verstärkung in dB gegenüber der Frequenz in Hz aus. Der Graph sollte bei einer Verstärkung von 0 dB bei Frequenzen weit von 60 Hz in beide Richtungen beginnen und enden, und ein starker Abfall der Verstärkung sollte bei oder sehr nahe bei 60 Hz auftreten. Dies zeigt, dass Signale, die bei dieser Frequenz auftreten, richtig aus dem gewünschten Signal entfernt werden. Auf dieser Stufe kann eine zusätzliche statistische Analyse durchgeführt werden, indem Widerstandstoleranzen berücksichtigt und Widerstands- und Kondensatorwerte um +5% und -5% modifiziert werden, um zu sehen, wie sich dies auf die experimentelle Grenzfrequenz (die Frequenz, die grafisch am stärksten gedämpft wird) auswirkt.

Schritt 6: Testen Sie den Bandpassfilter

Schließlich testen Sie den Bandpassfilter, indem Sie eine weitere AC-Sweep-Analyse durchführen. Diesmal sollte der Sweep von einer Frequenz kleiner als 0,6 und größer als 100 sein, um sicherzustellen, dass der Bandpass grafisch sichtbar ist. Führen Sie die Analyse erneut durch, indem Sie an dem im Schaltplan gezeigten Vout-Knoten messen. Der Ausgang sollte wie in der obigen Abbildung aussehen, wobei die Verstärkung negativ ist, je weiter vom 0,6-100 Hz-Bereich entfernt. Die Punkte, an denen die Verstärkung -3dB beträgt, sollten 0,6 und 100 Hz betragen oder Werte, die denen für den ersten bzw. zweiten Punkt sehr nahe kommen. Die -3dB-Punkte bedeuten, dass ein Signal bis zu dem Punkt gedämpft wird, an dem die Ausgabe bei diesen Frequenzen die Hälfte der ursprünglichen Leistung beträgt. Daher werden die -3dB-Punkte verwendet, um die Dämpfung von Signalen für Filter zu analysieren. Wenn die -3dB-Punkte in der ausgegebenen Grafik mit dem Bandpassbereich übereinstimmen, funktioniert die Bühne ordnungsgemäß.

Auf dieser Stufe kann eine zusätzliche statistische Analyse durchgeführt werden, indem Widerstandstoleranzen berücksichtigt und Widerstands- und Kondensatorwerte um +5% und -5% modifiziert werden, um zu sehen, wie sich dies auf beide experimentellen Grenzfrequenzen auswirkt.

Schritt 7: Stellen Sie das vollständige EKG-System zusammen

Wenn bestätigt ist, dass alle drei Phasen richtig funktionieren, legen Sie alle drei Phasen des EKGs zusammen und das Endergebnis ist fertig. Eine simulierte EKG-Welle kann in die Instrumentenverstärkerstufe eingegeben werden, und die ausgegebene Welle sollte eine verstärkte EKG-Welle sein.