Gesimuleerde EKG -stroombaan: 7 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:23

'N Elektrokardiogram is 'n algemene toets wat gebruik word in standaardondersoeke en diagnoses van ernstige siektes. Hierdie toestel, bekend as 'n EKG, meet die elektriese seine in die liggaam wat verantwoordelik is vir die regulering van die hartklop. Die toets word uitgevoer deur elektrodes op die vel van die proefpersoon aan te bring en die uitset waar te neem, wat die vorm aanneem van die aangetoonde EKG -golfvorm. Hierdie golfvorm bevat 'n P -golf, QRS -kompleks en T -golf wat elk 'n fisiologiese reaksie voorstel. Hierdie gids gaan deur die stappe om 'n EKG te simuleer in 'n kring simulasiesagteware.

Benodighede:

LTSpice of soortgelyke kring simulator

Stap 1: Bou 'n instrumentversterker

Die doel van 'n instrumentasie versterker is om 'n baie klein sein te versterk wat dikwels omring word deur hoë geraasvlakke. Die spanning van die insetsein in 'n EMG is tipies tussen 1 mV tot 5 mV en die doel van hierdie fase is om die sein te versterk met 'n wins van ongeveer 1000. In die skematiese weergawe kan die versterking beheer word deur die volgende vergelyking waar R1 = R2, R4 = R5 en R6 = R7:

Versterking = K1*K2, waar K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

Die wins is dus gelykstaande aan 1000, dus K1 en K2 is ongeveer 31,6. Sommige weerstande kan willekeurig gekies word en ander word bereken, solank die winsvergelyking gelyk is aan 1000. In 'n fisiese stroombaan sou die elektrode in die operasionele versterkers ingaan, maar vir simulasiedoeleindes is die een gegrond en die ander word gebruik om aan te dui die potensiële verskil. Die Vin -node sal gebruik word om insetgolwe later te simuleer. Die Vout -knoop lei na die volgende fase van die EKG. 'N LTC1151 operasionele versterker is gekies omdat dit in die LTSpice -biblioteek geleë is, 'n hoë CMRR het en in mediese instrumente gebruik is. Enige basiese versterker met 'n voedingsspanning van +15V en -15V sal in hierdie stelsel werk.

Stap 2: Bou 'n kerffilter

Die volgende fase in die EKG is 'n kerffilter om die kraglyninterferensie wat met 'n frekwensie van 60 Hz voorkom, uit te filter. 'N Kerffilter werk deur 'n klein reeks seine wat baie naby 'n enkelvoudige frekwensie voorkom, te verwyder. Daarom kan gepaste weerstande en kapasitors gekies word deur 'n afsnyfrekwensie van 60 Hz en die afsnyfrekwensievergelyking te gebruik. Deur die skema hierbo te gebruik en daarop te let dat C = C1 = C2, C3 = 2*C1, R = R10 en R8 = R9 = 2*R10, kan kapasitorwaardes willekeurig gekies word (die voorbeeld toon 'n gekose 1uF -kapasitor). Deur die volgende vergelyking te gebruik, kan toepaslike weerstandswaardes in hierdie stadium bereken en gebruik word:

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

Die Vin -knoop is die uitset van die instrumentasieversterker en die Vout -node lei na die volgende fase.

Stap 3: Bou 'n Bandpass -filter

Die laaste fase van die stelsel bestaan uit 'n aktiewe banddeurlaatfilter om geraas bo en onder 'n sekere reeks frekwensies te verwyder. Baseline dwaal, wat veroorsaak word deur die basislyn van die sein wat met die tyd wissel, vind plaas onder 0,6 Hz en EMG -geraas, wat veroorsaak word deur die teenwoordigheid van spiergeraas, kom voor by frekwensies bo 100 Hz. Daarom word hierdie getalle ingestel as die afsnyprekwensies. Die banddeurlaatfilter bestaan uit 'n laagdeurlaatfilter gevolg deur 'n hoogdeurlaatfilter. Beide filters het egter dieselfde afsnyfrekwensie:

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

Deur 1uF as 'n arbitrêre kapasitorwaarde te gebruik, en 0.6 en 100 as die afsnyprekwensies, is die weerstandswaardes bereken vir die toepaslike gedeeltes van die filter. Die Vin -knoop kom van die uitset van die kerffilter en die Vout -knoop is waar die gesimuleerde uitset van die volledige stelsel gemeet sal word. In 'n fisiese stelsel sou hierdie uitset aansluit by 'n ossilloskoop of soortgelyke vertoonapparaat om die EKG -golwe intyds te sien.

Stap 4: Toets die instrumentasie versterker

Vervolgens sal die instrumentasieversterker getoets word om te verseker dat dit wel 'n wins van 1000 bied. Om dit te doen, voer 'n sinusvormige golf op 'n willekeurige frekwensie en amplitude in. Hierdie voorbeeld gebruik 'n 2mV piek tot piek amplitude om 'n EMG -golf en 'n frekwensie van 1000 Hz voor te stel. Simuleer die instrumentasie versterker in die kring simulasie sagteware en teken die invoer en uitset golfvorms. Teken die invoer- en uitsetgroottes aan met 'n wyserfunksie, en bereken die wins met Gain = Vout/Vin. As hierdie wins ongeveer 1000 is, werk hierdie stadium behoorlik. Bykomende statistiese analise kan op hierdie stadium uitgevoer word deur weerstandstoleransies in ag te neem en weerstandswaardes met +5% en -5% te verander om te sien hoe dit die uitsetgolf en die daaropvolgende versterking beïnvloed.

Stap 5: Toets die kerffilter

Toets die kerffilter deur 'n AC -sweep uit 'n bereik van 60 Hz uit te voer. In hierdie voorbeeld is die sweep van 1 Hz tot 200 Hz uitgevoer. Die gevolglike plot, as dit gemeet word by die Vout -knoop, sal 'n grafiek van versterking in dB teenoor frekwensie in Hz weergee. Die grafiek moet begin en eindig met 'n 0 dB versterking by frekwensies ver van 60 Hz in beide rigtings en 'n groot daling in versterking moet by of naby 60 Hz verskyn. Dit toon aan dat seine wat op hierdie frekwensie voorkom, behoorlik van die gewenste sein verwyder word. Bykomende statistiese analise kan op hierdie stadium uitgevoer word deur weerstandstoleransies in ag te neem en weerstands- en kapasitorwaardes met +5% en -5% te verander om te sien hoe dit die eksperimentele afsnyprekwensie beïnvloed (die frekwensie wat grafies die meeste verswakking ondervind).

Stap 6: Toets die Bandpass -filter

Toets laastens die bandpassfilter deur nog 'n AC -sweep -analise uit te voer. Hierdie keer moet die sweep vanaf 'n frekwensie van minder as 0,6 en groter as 100 wees om te verseker dat die bandweg grafies gesien kan word. Weereens, voer die analise uit deur te meet aan die Vout -knoop wat in die skema getoon word. Die uitset moet soos die figuur hierbo lyk, waar die versterking negatief is, hoe verder van die 0,6-100Hz-reeks. Die punte waarop die versterking -3dB is, moet 0,6 en 100 Hz wees, of waardes wat baie naby is aan dié vir die eerste en tweede punte. Die -3dB punte dui aan wanneer 'n sein verswak word tot die punt waar die uitset by hierdie frekwensies die helfte van die oorspronklike krag sal wees. Daarom word die -3dB punte gebruik om verswakking van seine vir filters te analiseer. As die -3dB -punte op die weergegee grafiek ooreenstem met die bandpasreeks, werk die fase behoorlik.

Bykomende statistiese analise kan op hierdie stadium uitgevoer word deur weerstandstoleransies in ag te neem en weerstands- en kapasitorwaardes met +5% en -5% te verander om te sien hoe dit beide eksperimentele afsnyprekwensies beïnvloed.

Stap 7: Stel die volledige EKG -stelsel saam

Laastens, as bevestig word dat al drie fases na behore werk, plaas al drie die fases van die EKG bymekaar en die finale uitslag is voltooi. 'N Gesimuleerde EKG -golf kan in die instrumentasieversterkerstadium ingevoer word en die uitgestuurde golf moet 'n versterkte EKG -golf wees.