Geautomatiseerde ECG-circuitsimulator: 4 stappen

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

Een elektrocardiogram (ECG) is een krachtige techniek die wordt gebruikt om de elektrische activiteit van het hart van een patiënt te meten. De unieke vorm van deze elektrische potentialen verschilt afhankelijk van de locatie van de opname-elektroden en is gebruikt om veel omstandigheden te detecteren. Met vroege detectie van verschillende hartaandoeningen kunnen artsen hun patiënten een groot aantal aanbevelingen doen om hun situatie aan te pakken. Deze machine bestaat uit drie hoofdcomponenten: een instrumentatieversterker gevolgd door een notch-filter en een banddoorlaatfilter. Het doel van deze onderdelen is om de binnenkomende signalen te versterken, ongewenste signalen te verwijderen en alle relevante biologische signalen door te geven. Analyse van het resulterende systeem bewees dat het elektrocardiogram, zoals verwacht, de gewenste taken uitvoert om een bruikbaar ECG-signaal te produceren, wat het nut ervan aantoont om hartaandoeningen te detecteren.

Benodigdheden:

• LTSpice-software
• ECG-signaalbestanden

Stap 1: Instrumentatieversterker

De instrumentatieversterker, soms afgekort als INA, wordt gebruikt om de biologische signalen op laag niveau die van de patiënt worden waargenomen te versterken. Een typische INA bestaat uit drie operationele versterkers (Op Amps). Twee opamps moeten in de niet-inverterende configuratie zijn en de laatste opamp in de differentiële configuratie. Naast de opamps worden zeven weerstanden gebruikt, zodat we de versterking kunnen variëren door de grootte van de weerstandswaarde te wijzigen. Van de weerstanden zijn er drie paren en één individuele maat.

Voor dit project zal ik een versterking van 1000 gebruiken om de signalen te versterken. Ik zal dan willekeurige R2-, R3- en R4-waarden kiezen (het is het gemakkelijkst als R3 en R4 even groot zijn omdat ze zouden annuleren tot 1, wat een weg vrijmaakt voor eenvoudigere berekeningen). Vanaf hier kan ik oplossen dat R1 alle benodigde componentgroottes heeft.

Versterking = (1 + 2R2/R1) * (R4/R3)

Met behulp van de bovenstaande versterkingsvergelijking en waarden R2 = 50kΩ en R3 = R4 = 10kΩ, krijgen we R1 = 100Ω.

Om te controleren of de versterking in feite 1000 is, kunnen we het circuit laten lopen met een.ac sweep-functie en kijken waar het plateau optreedt. In dit geval is dat 60 dB. Door de onderstaande vergelijking te gebruiken, kunnen we de dB omzetten in dimensieloze Vout/Vin, die zoals verwacht 1000 wordt.

Aanwinst, dB = 20*log (Vout/Vin)

Stap 2: Inkepingsfilter

Het volgende onderdeel dat moet worden ontworpen, is het notch-filter. De waarde van componenten voor dit filter hangt grotendeels af van de frequentie die u wilt uitkiezen. Voor dit ontwerp willen we de 60 Hz-frequentie (fc) die wordt vrijgegeven door medische instrumentatie weglaten.

In dit ontwerp wordt een twin-t notch-filter gebruikt om ervoor te zorgen dat alleen het gewenste wordt weggesneden en dat we niet per ongeluk de gewenste biologische frequenties in de buurt van de 60 Hz-markering zullen verzwakken. De componentwaarden werden gevonden door willekeurige weerstandswaarden te selecteren, waarvan ik ervoor koos om 2kΩ te gebruiken voor het laagdoorlaatfilter (bovenste T) en 1kΩ voor het hoogdoorlaatfilter (onderste T). Met behulp van de onderstaande vergelijking heb ik de benodigde condensatorwaarden opgelost.

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

De Bode-plot werd opnieuw gevonden met behulp van de.ac-sweepfunctie die LTSpice biedt.

Stap 3: Banddoorlaatfilter

Het laatste onderdeel van het geautomatiseerde ECG-systeem is nodig om biologische frequenties door te geven, want dat is waar we in geïnteresseerd zijn. Het typische ECG-signaal vindt plaats tussen 0,5 Hz en 150 Hz (fc), daarom kunnen twee filters worden gebruikt; ofwel een banddoorlaatfilter of een laagdoorlaatfilter. In dit ontwerp werd een banddoorlaatfilter gebruikt omdat het iets nauwkeuriger is dan het laagdoorlaatfilter, hoewel dat nog steeds zou werken omdat biologische frequenties over het algemeen toch geen hoge frequenties hebben.

Een banddoorlaatfilter bestaat uit twee delen: een hoogdoorlaatfilter en een laagdoorlaatfilter. Het hoogdoorlaatfilter komt voor de opamp en het laagdoorlaatfilter erna. Onthoud dat er verschillende ontwerpen voor banddoorlaatfilters zijn die kunnen worden gebruikt.

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

Nogmaals, er moeten veel willekeurige waarden worden gekozen om de vereiste waarden van andere onderdelen te vinden. In het laatste filter heb ik willekeurige weerstandswaarden gekozen en opgelost voor de condensatorwaarden. Om aan te tonen dat het niet uitmaakt met welke je begint, zal ik nu willekeurige condensatorwaarden kiezen om op te lossen voor de weerstandswaarden. In dit geval koos ik een condensatorwaarde van 1uF. Met behulp van de bovenstaande vergelijking gebruik ik één afsnijfrequentie per keer om de respectieve weerstand op te lossen. Voor de eenvoud zal ik dezelfde condensatorwaarde gebruiken voor zowel het hoogdoorlaat- als het laagdoorlaatgedeelte naar het banddoorlaatfilter. De 0,5 Hz wordt gebruikt om de hoogdoorlaatweerstand op te lossen en de 150 Hz afsnijfrequentie wordt gebruikt om de laagdoorlaatweerstand te vinden.

Een Bode-plot kan opnieuw worden gebruikt om te zien of het circuitontwerp naar behoren werkte.

Stap 4: Volledig systeem

Nadat is geverifieerd dat elk onderdeel op zichzelf werkt, kunnen de onderdelen in één systeem worden gecombineerd. Met behulp van geïmporteerde ECG-gegevens en de PWL-functie in de spanningsbrongenerator kunt u simulaties uitvoeren om ervoor te zorgen dat het systeem de gewenste biologische frequenties correct versterkt en doorlaat.

De schermafbeelding van de bovenste plot is een voorbeeld van hoe de uitvoergegevens eruitzien met behulp van een.tran-functie en de schermafbeelding van de onderste plot is de respectieve bode-plot met behulp van de.ac-functie.

Verschillende ECG-invoergegevens kunnen worden gedownload (twee verschillende ECG-invoerbestanden zijn aan deze pagina toegevoegd) en in de functie gebracht om het systeem op verschillende gemodelleerde patiënten te testen.