Simulator Litar ECG Automatik: 4 Langkah

2025 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2025-01-23 15:00

Elektrokardiogram (ECG) adalah teknik kuat yang digunakan untuk mengukur aktiviti elektrik jantung pesakit. Bentuk unik potensi elektrik ini berbeza bergantung pada lokasi elektrod rakaman dan telah digunakan untuk mengesan banyak keadaan. Dengan pengesanan awal pelbagai keadaan jantung, doktor dapat memberikan banyak cadangan kepada pesakit mereka untuk mengatasi keadaan mereka. Mesin ini terdiri daripada tiga komponen utama: penguat instrumentasi diikuti oleh saringan takik dan penapis lulus jalur. Matlamat bahagian-bahagian ini adalah untuk memperkuatkan isyarat masuk, mengeluarkan isyarat yang tidak diingini, dan menyampaikan semua isyarat biologi yang berkaitan. Analisis sistem yang dihasilkan membuktikan bahawa elektrokardiogram, seperti yang diharapkan, melakukan tugas yang diinginkan untuk menghasilkan isyarat ECG yang dapat digunakan, menunjukkan kegunaannya untuk mengesan keadaan jantung.

Bekalan:

• Perisian LTSpice
• Fail isyarat ECG

Langkah 1: Penguat Instrumentasi

Penguat instrumentasi, kadang-kadang disingkat INA, digunakan untuk menguatkan isyarat biologi tahap rendah yang diperhatikan dari pesakit. INA khas terdiri daripada tiga penguat operasi (Op Amps). Dua Op Amps mestilah dalam konfigurasi bukan pembalik dan Op Amp terakhir dalam konfigurasi pembezaan. Tujuh perintang digunakan bersama Op Amps untuk membolehkan kita mengubah keuntungan dengan mengubah ukuran nilai perintang. Daripada perintang, terdapat tiga pasang dan satu ukuran individu.

Untuk projek ini, saya akan menggunakan keuntungan 1000 untuk menguatkan isyarat. Saya kemudian akan memilih nilai R2, R3, dan R4 sewenang-wenangnya (paling mudah jika R3 dan R4 berukuran sama kerana ia akan dibatalkan menjadi 1, membuka jalan untuk pengiraan yang lebih mudah). Dari sini, saya dapat memastikan R1 mempunyai semua ukuran komponen yang diperlukan.

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

Dengan menggunakan persamaan keuntungan di atas dan nilai R2 = 50kΩ dan R3 = R4 = 10kΩ, kita mendapat R1 = 100Ω.

Untuk memeriksa bahawa keuntungan sebenarnya 1000, kita dapat menjalankan litar dengan fungsi sapu.ac dan memerhatikan di mana dataran tinggi berlaku. Dalam kes ini, ia adalah 60 dB. Dengan menggunakan persamaan di bawah, kita dapat mengubah dB menjadi Vout / Vin tanpa dimensi, yang akhirnya menjadi 1000, seperti yang diharapkan.

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

Langkah 2: Penapis Notch

Komponen seterusnya yang akan dirancang adalah saringan takik. Nilai komponen untuk penapis ini sangat bergantung pada frekuensi yang ingin anda perhatikan. Untuk reka bentuk ini, kami ingin memotong frekuensi 60 Hz (fc) yang dikeluarkan oleh alat perubatan.

Penapis tak berkembar dengan digunakan dalam reka bentuk ini untuk memastikan hanya yang diingini akan dipotong dan bahawa kita tidak akan secara tidak sengaja mengurangkan frekuensi biologi yang dikehendaki berhampiran tanda 60 Hz. Nilai komponen dijumpai dengan memilih nilai perintang sewenang-wenangnya, yang mana saya memilih untuk menggunakan 2kΩ untuk penapis lulus rendah (T atas) dan 1kΩ untuk penapis lulus tinggi (T bawah). Dengan menggunakan persamaan di bawah, saya menyelesaikan untuk nilai kapasitor yang diperlukan.

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

Plot Bode ditemui sekali lagi menggunakan fungsi sapu.ac yang ditawarkan LTSpice.

Langkah 3: Penapis Pass Band

Komponen terakhir untuk sistem ECG automatik diperlukan untuk melewati frekuensi biologi kerana itulah yang kita minati. Isyarat ECG khas berlaku antara 0,5 Hz dan 150 Hz (fc), oleh itu dua penapis dapat digunakan; sama ada penapis lulus jalur atau penapis lulus rendah. Dalam reka bentuk ini, penapis lulus jalur digunakan kerana ia sedikit lebih tepat daripada jalan rendah, walaupun ia tetap berfungsi kerana frekuensi biologi pada umumnya tidak mempunyai frekuensi tinggi.

Penapis lulus jalur mengandungi dua bahagian: penapis lulus tinggi dan penapis lulus rendah. Penapis lulus tinggi datang sebelum Op Amp dan hantaran rendah mengejar. Ingat bahawa terdapat pelbagai reka bentuk penapis band pass yang dapat digunakan.

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

Sekali lagi, nilai sewenang-wenang banyak dipilih untuk mencari nilai yang diperlukan dari bahagian lain. Pada saringan terakhir, saya memilih nilai perintang sewenang-wenangnya dan menyelesaikan nilai kapasitor. Untuk menunjukkan bahawa ia tidak penting dengan mana yang anda mulakan, saya sekarang akan memilih nilai kapasitor sewenang-wenang untuk menyelesaikan nilai perintang. Dalam kes ini, saya memilih nilai kapasitor 1uF. Dengan menggunakan persamaan di atas, saya menggunakan satu frekuensi pemotongan pada satu masa untuk menyelesaikan perintang masing-masing. Untuk kesederhanaan, saya akan menggunakan nilai kapasitor yang sama untuk bahagian lulus tinggi dan lorong rendah ke penapis hantaran jalur. 0,5 Hz akan digunakan untuk menyelesaikan perintang lulus tinggi dan frekuensi pemotongan 150 Hz digunakan untuk mencari perintang lulus rendah.

Plot Bode sekali lagi dapat digunakan untuk melihat apakah reka bentuk litar berfungsi dengan tepat.

Langkah 4: Sistem Penuh

Setelah setiap komponen disahkan berfungsi sendiri, bahagian-bahagiannya dapat digabungkan menjadi satu sistem. Dengan menggunakan data ECG yang diimport dan fungsi PWL dalam penjana sumber voltan, anda boleh menjalankan simulasi untuk memastikan bahawa sistem menguat dan melewati frekuensi biologi yang diinginkan.

Tangkapan skrin plot teratas adalah contoh seperti apa data output menggunakan fungsi.tran dan tangkapan skrin plot bawah adalah plot bode masing-masing menggunakan fungsi.ac.

Data ECG input yang berbeza boleh dimuat turun (dua fail input ECG yang berbeza telah ditambahkan ke halaman ini) dan dimasukkan ke dalam fungsi untuk menguji sistem pada pesakit yang berlainan model.