Gesimuleerd ECG-circuit: 7 stappen

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

Een elektrocardiogram is een veel voorkomende test die wordt gebruikt bij zowel standaardonderzoeken als diagnoses van ernstige ziekten. Dit apparaat, bekend als een ECG, meet de elektrische signalen in het lichaam die verantwoordelijk zijn voor het reguleren van de hartslag. De test wordt uitgevoerd door elektroden op de huid van de proefpersoon aan te brengen en de output te observeren, die de vorm aanneemt van de bekende ECG-golfvorm die wordt weergegeven. Deze golfvorm bevat een P-golf, QRS-complex en T-golf die elk een fysiologische reactie vertegenwoordigen. Deze gids zal de stappen doorlopen van het simuleren van een ECG in een circuitsimulatiesoftware.

Benodigdheden:

LTSpice of soortgelijke circuitsimulator

Stap 1: Bouw een instrumentatieversterker

Het doel van een instrumentatieversterker is om een zeer klein signaal te versterken dat vaak wordt omgeven door hoge ruisniveaus. De spanning van het ingangssignaal in een EMG ligt typisch tussen 1 mV en 5 mV en het doel van deze fase is om dat signaal te versterken met een versterking van ongeveer 1000. Getoond in het schema, kan de versterking worden geregeld door de volgende vergelijking waarbij R1 = R2, R4 = R5 en R6 = R7:

Versterking = K1*K2, waarbij K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

De versterking werd daarom gelijk gesteld aan 1000, dus K1 en K2 zijn ongeveer 31,6. Sommige weerstanden kunnen willekeurig worden gekozen en andere berekend, zolang de versterkingsvergelijking gelijk is aan 1000. In een fysiek circuit gaan de elektroden naar de operationele versterkers, maar voor simulatiedoeleinden is de ene geaard en wordt de andere gebruikt om aan te geven het potentiaalverschil. Het Vin-knooppunt zal later worden gebruikt om invoergolven te simuleren. De Vout-knoop leidt naar de volgende fase van het ECG. Er is gekozen voor een LTC1151 operationele versterker omdat deze zich in de LTSpice-bibliotheek bevindt, een hoge CMRR heeft en wordt gebruikt in medische instrumentatie. Elke operationele basisversterker met een voedingsspanning van +15V en -15V zou in dit systeem werken.

Stap 2: Bouw een inkepingsfilter

De volgende fase in het ECG is een inkepingsfilter om interferentie van de elektriciteitslijn uit te filteren die optreedt bij een frequentie van 60 Hz. Een notch-filter werkt door een klein aantal signalen te verwijderen die zich zeer dicht bij een enkelvoudige frequentie voordoen. Door een afsnijfrequentie van 60 Hz en de afsnijfrequentievergelijking te gebruiken, kunnen daarom geschikte weerstanden en condensatoren worden gekozen. Gebruikmakend van het bovenstaande schema en opmerkend dat C = C1 = C2, C3 = 2*C1, R = R10 en R8 = R9 = 2*R10, kunnen condensatorwaarden willekeurig worden gekozen (het voorbeeld toont een gekozen condensator van 1 uF). Met behulp van de volgende vergelijking kunnen geschikte weerstandswaarden worden berekend en in deze fase worden gebruikt:

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

Het Vin-knooppunt is de uitvoer van de instrumentatieversterker en het Vout-knooppunt leidt naar de volgende fase.

Stap 3: Bouw een banddoorlaatfilter

De laatste fase van het systeem bestaat uit een actief banddoorlaatfilter om ruis boven en onder een bepaald frequentiebereik te verwijderen. Basislijnzwerven, veroorzaakt door de basislijn van het signaal die met de tijd varieert, treedt op onder 0,6 Hz en EMG-ruis, veroorzaakt door de aanwezigheid van spierruis, treedt op bij frequenties boven 100 Hz. Daarom worden deze nummers ingesteld als de afsnijfrequenties. Het banddoorlaatfilter bestaat uit een laagdoorlaatfilter gevolgd door een hoogdoorlaatfilter. Beide filters hebben echter dezelfde afsnijfrequentie:

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

Met 1uF als willekeurige condensatorwaarde en 0,6 en 100 als afsnijfrequenties, werden de weerstandswaarden berekend voor de juiste delen van het filter. Het Vin-knooppunt komt van de uitvoer van het notch-filter en het Vout-knooppunt is waar de gesimuleerde uitvoer van het volledige systeem wordt gemeten. In een fysiek systeem zou deze uitgang worden aangesloten op een oscilloscoop of soortgelijk weergaveapparaat om de ECG-golven in realtime te bekijken.

Stap 4: Test de instrumentatieversterker

Vervolgens wordt de instrumentatieversterker getest om er zeker van te zijn dat deze een versterking van 1000 levert. Voer hiervoor een sinusvormige golf in met een willekeurige frequentie en amplitude. In dit voorbeeld werd een piek-tot-piek-amplitude van 2 mV gebruikt om een EMG-golf en een frequentie van 1000 Hz weer te geven. Simuleer de instrumentatieversterker in de circuitsimulatiesoftware en plot de ingangs- en uitgangsgolfvormen. Noteer met behulp van een cursorfunctie de invoer- en uitvoermagnitudes en bereken de versterking met Gain = Vout/Vin. Als deze winst ongeveer 1000 is, werkt deze fase naar behoren. Aanvullende statistische analyse kan op deze fase worden uitgevoerd door rekening te houden met weerstandstoleranties en weerstandswaarden te wijzigen met +5% en -5% om te zien hoe dit de uitgangsgolf en de daaropvolgende versterking beïnvloedt.

Stap 5: Test het inkepingsfilter

Test het notch-filter door een AC-sweep uit te voeren vanuit een bereik dat 60 Hz bevat. In dit voorbeeld liep de sweep van 1 Hz tot 200 Hz. De resulterende grafiek, gemeten bij het Vout-knooppunt, geeft een grafiek van versterking in dB versus frequentie in Hz weer. De grafiek zou moeten beginnen en eindigen met een versterking van 0 dB bij frequenties ver van 60 Hz in beide richtingen en een grote daling in versterking zou moeten optreden bij of zeer dicht bij 60 Hz. Dit geeft aan dat signalen die op deze frequentie voorkomen op de juiste manier uit het gewenste signaal worden verwijderd. Aanvullende statistische analyse kan in deze fase worden uitgevoerd door rekening te houden met weerstandstoleranties en weerstands- en condensatorwaarden met +5% en -5% te wijzigen om te zien hoe dit de experimentele afsnijfrequentie beïnvloedt (de frequentie die grafisch de meeste verzwakking ervaart).

Stap 6: Test het banddoorlaatfilter

Test ten slotte het banddoorlaatfilter door nog een AC-sweepanalyse uit te voeren. Deze keer moet de zwaai een frequentie hebben van minder dan 0,6 en groter dan 100 om ervoor te zorgen dat de banddoorlaat grafisch kan worden gezien. Voer de analyse nogmaals uit door te meten op het Vout-knooppunt dat in het schema wordt weergegeven. De uitvoer zou eruit moeten zien als de afbeelding hierboven, waarbij de versterking negatief is, hoe verder van het bereik van 0,6-100 Hz. De punten waarop de versterking -3dB is, moeten 0,6 en 100 Hz zijn, of waarden die zeer dicht bij die voor respectievelijk het eerste en tweede punt liggen. De -3dB-punten geven aan wanneer een signaal wordt verzwakt tot het punt waarop de uitvoer bij deze frequenties de helft van het oorspronkelijke vermogen zal zijn. Daarom worden de -3dB-punten gebruikt om verzwakking van signalen voor filters te analyseren. Als de punten van -3dB op de uitgevoerde grafiek overeenkomen met het bandpass-bereik, werkt de stage correct.

Aanvullende statistische analyse kan in deze fase worden uitgevoerd door rekening te houden met weerstandstoleranties en weerstands- en condensatorwaarden te wijzigen met +5% en -5% om te zien hoe dit beide experimentele afsnijfrequenties beïnvloedt.

Stap 7: Stel het volledige ECG-systeem samen

Tot slot, wanneer is bevestigd dat alle drie de stadia goed werken, plaatst u alle drie de stadia van het ECG bij elkaar en is het eindresultaat klaar. Een gesimuleerde ECG-golf kan worden ingevoerd in de instrumentatieversterkertrap en de uitgevoerde golf moet een versterkte ECG-golf zijn.