Geautomatiseerd ECG-circuitmodel: 4 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

Het doel van dit project is om een circuitmodel te creëren met meerdere componenten dat een inkomend ECG-signaal adequaat kan versterken en filteren. Drie componenten zullen afzonderlijk worden gemodelleerd: een instrumentatieversterker, een actief notch-filter en een passief banddoorlaatfilter. Ze zullen worden gecombineerd om het uiteindelijke ECG-circuitmodel te maken. Alle circuitmodellering en testen werden uitgevoerd in LTspice, maar andere circuitsimulatieprogramma's zouden ook werken.

Stap 1: Instrumentatieversterker

Dit wordt het eerste onderdeel van het volledige ECG-model. Het doel is om het binnenkomende ECG-signaal te versterken, dat aanvankelijk een zeer lage spanning zal hebben. Ik koos ervoor om op-amps en resistieve componenten te combineren op een manier die een versterking van 1000 zou opleveren. De eerste afbeelding toont het ontwerp van de instrumentatieversterker, gemodelleerd in LTspice. De tweede afbeelding toont relevante vergelijkingen en uitgevoerde berekeningen. Eenmaal volledig gemodelleerd, werd een transiënte analyse van een sinusoïdaal ingangssignaal van 1 mV bij 75 Hz uitgevoerd in LTspice om een versterking van 1000 te bevestigen. De derde afbeelding toont de resultaten van deze analyse.

Stap 2: Actief inkepingsfilter

Dit wordt het tweede onderdeel van het volledige ECG-model. Het doel is om signalen met een frequentie van 60 Hz te verzwakken, wat de frequentie is van interferentie met netspanning. Dit vervormt ECG-signalen en is typisch aanwezig in alle klinische instellingen. Ik koos ervoor om een op-amp te combineren met resistieve en capacitieve componenten in een twin-T notch-filterconfiguratie. De eerste afbeelding toont het ontwerp van de notch-filter, gemodelleerd in LTspice. De tweede afbeelding toont relevante vergelijkingen en uitgevoerde berekeningen. Eenmaal volledig gemodelleerd, werd een AC-zwaai van een sinusvormig ingangssignaal van 1 V uitgevoerd van 1 Hz - 100 kHz in LTspice om een inkeping bij 60 Hz te bevestigen. De derde afbeelding toont de resultaten van deze analyse. De kleine variatie in simulatieresultaten in vergelijking met verwachte resultaten is waarschijnlijk te wijten aan afronding bij het berekenen van de resistieve en capacitieve componenten van dit circuit.

Stap 3: Passief banddoorlaatfilter

Dit wordt het derde onderdeel van het volledige ECG-model. Het doel is om signalen uit te filteren die niet binnen het bereik van 0,05 Hz - 250 Hz liggen, aangezien dit het bereik is van een typisch ECG voor volwassenen. Ik koos ervoor om resistieve en capacitieve componenten te combineren, zodat de high pass cutoff 0,05 Hz zou zijn en de low pass cutoff 250 Hz. De eerste afbeelding toont het passieve banddoorlaatfilterontwerp gemodelleerd in LTspice. De tweede afbeelding toont relevante vergelijkingen en uitgevoerde berekeningen. Eenmaal volledig gemodelleerd, werd een AC-sweep van een sinusvormig ingangssignaal van 1 V uitgevoerd van 0,01 Hz - 100 kHz in LTspice om de hoge en lage doorlaat-afsnijfrequenties te bevestigen. De derde afbeelding toont de resultaten van deze analyse. De kleine variatie in simulatieresultaten in vergelijking met verwachte resultaten is waarschijnlijk te wijten aan afronding bij het berekenen van de resistieve en capacitieve componenten van dit circuit.

Stap 4: Circuitcomponenten combineren

Nu alle componenten afzonderlijk zijn ontworpen en getest, kunnen ze in serie worden gecombineerd in de volgorde waarin ze zijn gemaakt. Dit resulteert in een volledig ECG-circuitmodel dat eerst een instrumentatieversterker bevat om het signaal 1000x te versterken. Vervolgens wordt een inkepingsfilter gebruikt om 60 Hz AC-lijnspanningsruis te elimineren. Ten slotte laat het banddoorlaatfilter geen signaal door dat buiten het bereik van een typisch ECG voor volwassenen ligt (0,05 Hz - 250 Hz). Eenmaal gecombineerd, zoals weergegeven in de eerste afbeelding, kan een transiënte analyse en volledige AC-sweep worden uitgevoerd in LTspice met een ingangsspanning van 1 mV (sinusvormig) om ervoor te zorgen dat de componenten samenwerken zoals verwacht. De tweede afbeelding toont de transiënte analyseresultaten, die signaalversterking van 1 mV tot ~0,85 V laten zien. Dit betekent dat ofwel de notch- of bandpassfiltercomponenten het signaal enigszins verzwakken nadat het aanvankelijk 1000x is versterkt door de instrumentatieversterker. De derde afbeelding toont de resultaten van de AC-sweep. Deze Bode-plot toont high- en low-pass cutoffs die overeenkomen met die van de Bode-plot van het banddoorlaatfilter wanneer ze afzonderlijk worden getest. Er is ook een lichte dip rond 60 Hz, waar het notch-filter werkt om ongewenste ruis te verwijderen.