Simulated ECG Circuit: 7 Mga Hakbang

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

Ang electrocardiogram ay isang pangkaraniwang pagsubok na ginamit sa parehong pamantayan sa pagsusuri at pagsusuri ng mga seryosong karamdaman. Ang aparatong ito, na kilala bilang isang ECG, ay sumusukat sa mga signal ng elektrikal sa loob ng katawan na responsable para sa pagkontrol ng tibok ng puso. Ang pagsubok ay pinamamahalaan sa pamamagitan ng paglalapat ng mga electrode sa balat ng paksa at pagmamasid sa output, na kumukuha ng form ng kilalang ECG waveform na ipinakita. Naglalaman ang waveform na ito ng P wave, QRS complex, at T wave na ang bawat isa ay kumakatawan sa isang physiological na tugon. Ang gabay na ito ay dadaan sa mga hakbang ng pag-simulate ng isang ECG sa isang circuit simulation software.

Mga Pantustos:

LTSpice o katulad na circuit simulator

Hakbang 1: Bumuo ng isang Instrumentation Amplifier

Ang layunin ng isang amplifier ng instrumento ay upang palakasin ang isang napakaliit na signal na madalas na napapaligiran ng mataas na antas ng ingay. Ang boltahe ng signal ng pag-input sa isang EMG ay karaniwang nasa pagitan ng 1 mV hanggang 5 mV at ang layunin ng yugtong ito ay upang palakasin ang senyas na iyon na may pakinabang na humigit-kumulang na 1000. Ipinakita sa eskematiko, ang kontrol ay maaaring makontrol ng sumusunod na equation kung saan R1 = R2, R4 = R5, at R6 = R7:

Makuha = K1 * K2, kung saan ang K1 = K2

K1 = 1 + (2R1 / R3)

K2 = -R6 / R4

Ang pakinabang samakatuwid ay itinakda katumbas ng 1000, kaya ang K1 at K2 ay humigit-kumulang na 31.6. Ang ilang mga resistors ay maaaring mapili nang arbitraryo at ang iba ay kinakalkula, hangga't ang equation ng nakuha ay nasiyahan sa pantay na 1000. Sa isang pisikal na circuit, ang mga electrode ay pupunta sa mga amplifier ng pagpapatakbo, ngunit para sa mga layuning simulation ang isa ay pinagbatayan at ang iba pa ay ginagamit upang magpahiwatig ang potensyal na pagkakaiba. Ang Vin node ay gagamitin upang gayahin sa paglaon ang pag-input ng mga alon. Ang Vout node ay humahantong sa susunod na yugto ng ECG. Ang isang LTC1151 na pagpapatakbo na amplifier ay napili dahil matatagpuan ito sa aklatan ng LTSpice, may mataas na CMRR, at ginamit sa gamit na pang-medikal. Anumang pangunahing amplifier ng pagpapatakbo na may boltahe ng suplay na + 15V at -15V ay gagana sa sistemang ito.

Hakbang 2: Bumuo ng isang Filter ng Notch

Ang susunod na yugto sa ECG ay isang filter ng bingaw upang salain ang pagkagambala ng linya ng kuryente na nangyayari sa dalas na 60 Hz. Gumagana ang isang filter ng bingaw sa pamamagitan ng pag-alis ng isang maliit na saklaw ng mga signal na nagaganap nang malapit sa isang solong dalas. Samakatuwid, sa pamamagitan ng paggamit ng isang cutoff frequency na 60 Hz at ang equation ng cutoff frequency, maaaring mapili ang mga naaangkop na resistor at capacitor. Gamit ang eskematiko sa itaas at tandaan na ang C = C1 = C2, C3 = 2 * C1, R = R10, at R8 = R9 = 2 * R10, ang mga halaga ng capacitor ay maaaring arbitraryong napili (Ang halimbawa ay nagpapakita ng isang napili na 1uF capacitor). Gamit ang sumusunod na equation, ang mga naaangkop na halaga ng resistor ay maaaring kalkulahin at magamit sa yugtong ito:

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

Ang Vin node ay ang output mula sa instrumentation amplifier at ang Vout node ay humahantong sa susunod na yugto.

Hakbang 3: Bumuo ng isang Filter ng Bandpass

Ang huling yugto ng system ay binubuo ng isang aktibong filter ng bandpass upang alisin ang ingay sa itaas at sa ibaba ng isang tiyak na saklaw ng mga frequency. Ang baseline wander, sanhi ng baseline ng signal na magkakaiba sa oras, ay nangyayari sa ibaba 0.6 Hz at EMG ingay, sanhi ng pagkakaroon ng ingay ng kalamnan, ay nangyayari sa mga frequency na higit sa 100 Hz. Samakatuwid, ang mga numerong ito ay itinakda bilang mga frequency ng cutoff. Ang filter ng bandpass ay binubuo ng isang mababang pass filter na sinusundan ng isang high pass filter. Gayunpaman, ang parehong mga filter ay may parehong dalas ng cutoff:

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

Ang paggamit ng 1uF bilang isang di-makatwirang halaga ng capacitor, at 0.6 at 100 bilang mga frequency ng cutoff, ang mga halaga ng risistor ay kinakalkula para sa naaangkop na mga bahagi ng filter. Ang Vin node ay nagmula sa output ng notch filter at ang Vout node ay kung saan masusukat ang simulate na output ng buong system. Sa isang pisikal na sistema, ang output na ito ay kumokonekta sa isang oscilloscope o katulad na aparato sa pagpapakita upang matingnan ang mga alon ng ECG sa real time.

Hakbang 4: Subukan ang Amplifier ng Instrumentation

Susunod, susubukan ang amplifier ng instrumento upang matiyak na nagbibigay ito ng pagkakaroon ng 1000. Upang magawa ito, maglagay ng isang sinusoidal na alon sa isang di-makatwirang dalas at amplitude. Ang halimbawang ito ay gumamit ng isang 2mV rurok sa rurok ng amplitude upang kumatawan sa isang EMG alon at dalas ng 1000 Hz. Gayahin ang amplifier ng instrumentation sa circuit simulation software at balangkas ang mga input at output waveforms. Gamit ang isang pagpapaandar na cursor, itala ang mga lakas ng input at output, at kalkulahin ang nakuha ng Gain = Vout / Vin. Kung ang nakuha na ito ay humigit-kumulang na 1000, gumagana ang yugto na ito nang maayos. Ang karagdagang pagsusuri sa istatistika ay maaaring isagawa sa yugtong ito sa pamamagitan ng pagsasaalang-alang ng mga tolerance ng resistor at pagbabago ng mga halaga ng resistor ng + 5% at -5% upang makita kung paano ito nakakaapekto sa output wave at kasunod na pakinabang.

Hakbang 5: Subukan ang Filter ng Notch

Subukan ang filter ng bingaw sa pamamagitan ng pagsasagawa ng isang AC sweep mula sa isang saklaw na naglalaman ng 60 Hz. Sa halimbawang ito, ang walisin ay pinatakbo mula 1 Hz hanggang 200 Hz. Ang nagresultang balangkas, kapag sinusukat sa Vout node, ay maglalabas ng isang graph ng amplification sa dB kumpara sa dalas sa Hz. Ang graph ay dapat magsimula at magtapos sa isang 0 dB amplification sa mga frequency na malayo sa 60 Hz sa magkabilang direksyon at isang malaking drop sa amplification ay dapat na lumitaw sa o malapit sa 60 Hz. Ipinapakita nito na ang mga signal na nagaganap sa dalas na ito ay maaalis nang maayos mula sa nais na signal. Ang karagdagang pagsusuri sa istatistika ay maaaring isagawa sa yugtong ito sa pamamagitan ng pagsasaalang-alang ng mga tolerance ng resistor at pagbabago ng mga halaga ng risistor at kapasitor ng + 5% at -5% upang makita kung paano ito nakakaapekto sa dalas ng eksperimentong cutoff (ang dalas na nakakaranas ng pinaka-pagpapalambing sa grapiko).

Hakbang 6: Subukan ang Filter ng Bandpass

Panghuli, subukan ang filter ng bandpass sa pamamagitan ng pagsasagawa ng isa pang pagtatasa ng AC sweep. Sa oras na ito, ang walisin ay dapat na mula sa dalas na mas mababa sa 0.6 at mas malaki sa 100 upang matiyak na ang bandpass ay makikita nang grapiko. Muli, patakbuhin ang pagtatasa sa pamamagitan ng pagsukat sa Vout node na ipinapakita sa eskematiko. Ang output ay dapat magmukhang figure sa itaas kung saan negatibo ang amplification mas malayo mula sa saklaw na 0.6-100Hz. Ang mga puntos kung saan ang amplification ay -3dB ay dapat na 0.6 at 100 Hz, o nagkakahalaga ng napakalapit sa mga para sa una at ikalawang puntos, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga puntos na -3dB ay nangangahulugang kapag ang isang signal ay pinahina sa punto kung saan ang output sa mga frequency na ito ay magiging kalahati ng orihinal na lakas. Samakatuwid, ang mga puntos na -3dB ay ginagamit upang pag-aralan ang pagpapalambing ng mga signal para sa mga filter. Kung ang mga puntos na -3dB sa output na grap ay tumutugma sa saklaw ng bandpass, gumagana nang maayos ang entablado.

Ang karagdagang pagsusuri sa istatistika ay maaaring isagawa sa yugtong ito sa pamamagitan ng pagsasaalang-alang ng mga pagpapaubaya ng resistor at pagbabago ng mga halaga ng risistor at kapasitor ng + 5% at -5% upang makita kung paano ito nakakaapekto sa parehong dalas ng mga pang-eksperimentong frequency ng cutoff.

Hakbang 7: Pagsamahin ang Buong ECG System

Panghuli, kapag ang lahat ng tatlong mga yugto ay nakumpirma na gumagana nang maayos, ilagay ang lahat ng tatlong mga yugto ng ECG at ang huling resulta ay tapos na. Ang isang naka-simulate na alon ng ECG ay maaaring mai-input sa yugto ng instrumento ng amplifier at ang na-output na alon ay dapat na isang pinalakas na alon ng ECG.