Awtomatikong ECG Circuit Simulator: 4 na Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:10

Ang isang electrocardiogram (ECG) ay isang malakas na pamamaraan na ginamit upang masukat ang aktibidad ng kuryente ng puso ng pasyente. Ang natatanging hugis ng mga potensyal na ito ng kuryente ay naiiba depende sa lokasyon ng pag-record ng mga electrode at ginamit upang makita ang maraming mga kundisyon. Sa maagang pagtuklas ng iba't ibang mga kundisyon sa puso, ang mga doktor ay maaaring magbigay sa kanilang mga pasyente ng maraming mga rekomendasyon na tumutugon sa kanilang sitwasyon. Ang makina na ito ay binubuo ng tatlong pangunahing mga sangkap: isang instrumentation amplifier na sinusundan ng isang notch filter at isang band pass filter. Ang layunin ng mga bahaging ito ay upang palakasin ang mga papasok na signal, alisin ang mga hindi gustong signal, at ipasa ang lahat ng nauugnay na biological signal. Ang pagsusuri ng nagresultang sistema ay napatunayan na ang electrocardiogram, tulad ng inaasahan, ay gumaganap ng mga nais nitong gawain upang makagawa ng isang magagamit na signal ng ECG, na nagpapakita ng pagiging kapaki-pakinabang nito upang makita ang mga kondisyon ng puso.

Mga Pantustos:

• LTSpice Software
• Mga file ng signal ng ECG

Hakbang 1: Instrumentation Amplifier

Ang amplifier ng instrumentation, kung minsan ay pinaikling INA, ay ginagamit upang palakasin ang mababang antas, mga biological signal na sinusunod mula sa pasyente. Ang isang tipikal na INA ay binubuo ng tatlong pagpapatakbo ng amplifier (Op Amps). Ang Dalawang Op Amps ay dapat na nasa hindi pagsasaayos ng pagsasaayos at ang huling Op Amp sa pagkakaiba-iba na pagsasaayos. Pitong resistors ang ginagamit sa tabi ng Op Amps upang payagan kaming mag-iba ng pakinabang sa pamamagitan ng pagbabago ng mga sukat ng halaga ng risistor. Sa mga resistors, mayroong tatlong pares at isang indibidwal na laki.

Para sa proyektong ito, gagamit ako ng pagkakaroon ng 1000 upang palakasin ang mga signal. Pipiliin ko pagkatapos ang di-makatwirang mga halagang R2, R3, at R4 (pinakamadali kung ang R3 at R4 ay katumbas ng laki sapagkat kanselahin nila sa 1, ang pagbubukas ng paraan para sa mas madaling mga kalkulasyon). Mula dito, malulutas ko para sa R1 na magkaroon ng lahat ng kinakailangang laki ng sangkap.

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

Gamit ang equation na nakakuha sa itaas at nagkakahalaga ng R2 = 50kΩ at R3 = R4 = 10kΩ, nakukuha namin ang R1 = 100Ω.

Upang suriin na ang nakuha ay sa katunayan 1000, maaari nating patakbuhin ang circuit na may isang.ac sweep function at obserbahan kung saan nangyayari ang talampas. Sa kasong ito, ito ay 60 dB. Sa pamamagitan ng paggamit ng equation sa ibaba, maaari naming baguhin ang dB sa walang dimensyon na Vout / Vin, na kung saan ay nagtatapos na maging 1000, tulad ng inaasahan.

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

Hakbang 2: Filter ng Notch

Ang susunod na sangkap na idinisenyo ay ang filter ng bingaw. Ang halaga ng mga bahagi para sa filter na ito ay higit sa lahat nakasalalay sa kung anong dalas ang nais mong i-notch. Para sa disenyo na ito, nais naming putulin ang dalas na 60 Hz (fc) na inilabas ng instrumento sa medisina.

Ang isang filter na kambal na hindi nakatago na gagamitin sa disenyo na ito upang matiyak na ang nais lamang ay mapuputol at hindi namin sinasadyang mapalaki ang nais na mga frequency ng biological malapit sa marka ng 60 Hz. Ang mga halaga ng sangkap ay natagpuan sa pamamagitan ng pagpili ng di-makatwirang mga halaga ng risistor, kung saan pinili ko na gumamit ng 2kΩ para sa mababang pass filter (itaas na T) at 1kΩ para sa high pass filter (ilalim ng T). Gamit ang equation sa ibaba, nalutas ko ang mga kinakailangang halaga ng capacitor.

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

Ang balangkas ng Bode ay natagpuan muli gamit ang.ac sweep function na inaalok ng LTSpice.

Hakbang 3: Filter ng Pass ng Band

Ang pangwakas na sangkap sa awtomatikong ECG system ay kinakailangan upang pumasa sa mga biological frequency dahil iyon ang interesado kami. Ang tipikal na senyas ng ECG ay nangyayari sa pagitan ng 0.5 Hz at 150 Hz (fc), samakatuwid ay maaaring magamit ang dalawang mga filter; alinman sa isang band pass filter o isang mababang pass filter. Sa disenyo na ito, ginamit ang isang filter ng band pass dahil medyo mas tumpak ito kaysa sa mababang pass, kahit na gagana pa rin ang isa dahil ang mga biological frequency sa pangkalahatan ay walang mataas na mga frequency.

Ang isang band pass filter ay naglalaman ng dalawang bahagi: isang mataas na filter ng pass at isang mababang pass filter. Ang high pass filter ay bago ang Op Amp at ang low pass ay pagkatapos. Tandaan na mayroong iba't ibang mga disenyo ng filter ng band pass na maaaring magamit.

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

Sa sandaling muli, ang mga di-makatwirang halaga ay napili upang makita ang mga kinakailangang halaga ng iba pang mga bahagi. Sa huling filter, pumili ako ng di-makatwirang mga halaga ng risistor at nalutas para sa mga halaga ng capacitor. Upang maipakita na hindi mahalaga kung alin ang magsisimula ka, pipiliin ko ngayon ang di-makatwirang mga halaga ng capacitor upang malutas ang mga halaga ng resistor. Sa kasong ito, pumili ako ng isang halaga ng capacitor ng 1uF. Gamit ang equation sa itaas, gumagamit ako ng isang dalas ng cutoff nang paisa-isa upang malutas ang kani-kanilang risistor. Para sa pagiging simple, gagamitin ko ang parehong halaga ng capacitor para sa parehong mataas na pass at low pass na bahagi sa filter ng band pass. Gagamitin ang 0.5 Hz upang malutas ang mataas na risistor ng pass at ang 150 Hz cutoff frequency ay ginagamit upang hanapin ang mababang pass risistor.

Ang isang balangkas ng Bode ay maaaring magamit muli upang makita kung gumana nang wasto ang disenyo ng circuit.

Hakbang 4: Buong System

Matapos ang bawat bahagi ay napatunayan na gumagana nang mag-isa, ang mga bahagi ay maaaring pagsamahin sa isang system. Gamit ang na-import na data ng ECG at pagpapaandar ng PWL sa generator ng pinagmulan ng boltahe, maaari kang magpatakbo ng mga simulation upang matiyak na maayos na pinalalaki at pinapasa ng system ang nais na mga frequency ng biyolohikal.

Ang top shot ng screen ng plot ay isang halimbawa ng kung ano ang hitsura ng output data gamit ang isang.tran function at ang ilalim ng screenshot ng plot ay ang kani-kanilang bode plot na gumagamit ng.ac function.

Maaaring mai-download ang iba't ibang data ng input ng ECG (ang dalawang magkakaibang mga file ng pag-input ng ECG ay naidagdag sa pahinang ito) at dinala sa pagpapaandar upang subukan ang system sa iba't ibang mga modelong pasyente.