Automatinis EKG grandinės simuliatorius: 4 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:44

Elektrokardiograma (EKG) yra galingas metodas, naudojamas paciento širdies elektriniam aktyvumui matuoti. Unikali šių elektrinių potencialų forma skiriasi priklausomai nuo įrašymo elektrodų vietos ir buvo naudojama daugeliui sąlygų aptikti. Anksti nustatę įvairias širdies ligas, gydytojai gali savo pacientams pateikti daugybę rekomendacijų, skirtų jų situacijai spręsti. Ši mašina susideda iš trijų pagrindinių komponentų: prietaisų stiprintuvo, po kurio yra įpjovos filtras ir juostos pralaidumo filtras. Šių dalių tikslas yra sustiprinti gaunamus signalus, pašalinti nepageidaujamus signalus ir perduoti visus susijusius biologinius signalus. Gautos sistemos analizė parodė, kad elektrokardiograma, kaip ir tikėtasi, atlieka norimas užduotis, kad gautų naudingą EKG signalą, parodydama jo naudingumą širdies ligoms aptikti.

Priedai:

• „LTSpice“programinė įranga
• EKG signalo failai

1 žingsnis: prietaisų stiprintuvas

Prietaisų stiprintuvas, kartais sutrumpintas INA, naudojamas sustiprinti žemo lygio biologinius signalus, stebimus iš paciento. Įprastą INA sudaro trys operaciniai stiprintuvai („Op Amps“). Du „Op“stiprintuvai turi būti neinversinės konfigūracijos, o paskutinis „Op Amp“-diferencinės konfigūracijos. Kartu su „Op Amper“naudojami septyni rezistoriai, leidžiantys keisti stiprumą keičiant rezistorių vertės dydžius. Iš rezistorių yra trys poros ir vienas individualus dydis.

Šiam projektui aš panaudosiu 1000 stiprinimą, kad sustiprinčiau signalus. Tada aš pasirinksiu savavališkas R2, R3 ir R4 reikšmes (lengviausia, jei R3 ir R4 yra lygiaverčio dydžio, nes jie atšauktų iki 1, grindžiant kelią lengviau apskaičiuoti). Iš čia galiu išspręsti, ar R1 turi visus reikalingus komponentų dydžius.

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

Naudodami aukščiau pateiktą stiprinimo lygtį ir reikšmes R2 = 50kΩ ir R3 = R4 = 10kΩ, gauname R1 = 100Ω.

Norėdami patikrinti, ar padidėjimas iš tikrųjų yra 1000, mes galime paleisti grandinę su.ac šlavimo funkcija ir stebėti, kur atsiranda plynaukštė. Šiuo atveju jis yra 60 dB. Naudodami toliau pateiktą lygtį, galime konvertuoti dB į be matmenų Vout/Vin, kuris, kaip tikėtasi, yra 1000.

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

2 žingsnis: įpjovos filtras

Kitas projektuojamas komponentas yra įpjovos filtras. Šio filtro komponentų vertė labai priklauso nuo to, kokį dažnį norite išpjauti. Šiam dizainui mes norime išjungti 60 Hz dažnį (fc), kurį išskiria medicinos prietaisai.

Šioje konstrukcijoje turi būti naudojamas dviejų pakopų filtras, užtikrinantis, kad bus išjungtas tik pageidaujamas ir kad netyčia nesusilpnintume norimų biologinių dažnių netoli 60 Hz žymos. Komponentų vertės buvo nustatytos pasirinkus savavališkas rezistorių reikšmes, iš kurių aš nusprendžiau naudoti 2 kΩ žemo dažnio filtrui (viršuje T) ir 1 kΩ aukšto dažnio filtrui (apačioje T). Naudodamas žemiau pateiktą lygtį, išsprendžiau reikiamas kondensatoriaus reikšmes.

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

„Bode“brėžinys vėl buvo rastas naudojant „LTSpice“siūlomą „.ac“šlavimo funkciją.

3 žingsnis: juostos praleidimo filtras

Paskutinis automatinės EKG sistemos komponentas reikalingas norint perduoti biologinius dažnius, nes tai mus domina. Įprastas EKG signalas atsiranda nuo 0,5 Hz iki 150 Hz (fc), todėl gali būti naudojami du filtrai; juostinis arba žemo dažnio filtras. Šioje konstrukcijoje buvo naudojamas dažnių juostos filtras, nes jis yra šiek tiek tikslesnis nei žemasis, tačiau jis vis tiek veiktų, nes biologiniai dažniai paprastai neturi aukštų dažnių.

Juostinis filtras susideda iš dviejų dalių: aukšto dažnio ir žemo dažnio filtro. Aukšto dažnio filtras yra prieš „Op Amp“, o žemasis - po. Atminkite, kad yra įvairių juostinių filtrų, kuriuos galima naudoti.

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

Vėlgi, norint rasti reikiamas kitų dalių vertes, reikia daug pasirinkti savavališkas vertes. Paskutiniame filtre pasirinkau savavališkas rezistorių reikšmes ir išsprendžiau kondensatoriaus vertes. Norėdami parodyti, kad nesvarbu, nuo kurio pradėsite, dabar pasirinksiu savavališkas kondensatoriaus vertes, kurias reikia išspręsti rezistorių reikšmėms. Šiuo atveju aš pasirinkau 1uF kondensatoriaus vertę. Naudodamas aukščiau pateiktą lygtį, naudoju vieną ribinį dažnį, kad išspręstų atitinkamą rezistorių. Paprastumo dėlei aš naudoju tą pačią kondensatoriaus vertę tiek aukšto, tiek žemo dažnio dažnių juostos filtro dalims. 0,5 Hz bus naudojamas aukšto dažnio rezistoriui išspręsti, o 150 Hz ribinis dažnis - žemo dažnio rezistoriui surasti.

Bode grafikas dar kartą gali būti naudojamas patikrinti, ar grandinės konstrukcija tinkamai veikė.

4 žingsnis: visa sistema

Patikrinus, ar kiekvienas komponentas veikia atskirai, dalis galima sujungti į vieną sistemą. Naudodami importuotus EKG duomenis ir įtampos šaltinio generatoriaus PWL funkciją, galite paleisti simuliacijas, kad įsitikintumėte, jog sistema tinkamai sustiprina ir perduoda norimus biologinius dažnius.

Viršutinės schemos ekrano kopija yra pavyzdys, kaip išvesties duomenys atrodo naudojant.tran funkciją, o apatinė schemos ekrano kopija yra atitinkamas bode grafikas naudojant.ac funkciją.

Galima atsisiųsti skirtingus įvesties EKG duomenis (į šį puslapį buvo pridėti du skirtingi EKG įvesties failai) ir įtraukti į funkciją, skirtą išbandyti sistemą skirtinguose modeliuotuose pacientuose.