Litar ECG Simulasi: 7 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:06

Elektrokardiogram adalah ujian biasa yang digunakan dalam pemeriksaan standard dan diagnosis penyakit serius. Peranti ini, yang dikenali sebagai ECG, mengukur isyarat elektrik di dalam badan yang bertanggungjawab mengatur degupan jantung. Ujian dijalankan dengan menggunakan elektrod pada kulit subjek dan memerhatikan outputnya, yang berbentuk seperti bentuk gelombang ECG yang diketahui. Bentuk gelombang ini mengandungi gelombang P, kompleks QRS, dan gelombang T yang masing-masing mewakili tindak balas fisiologi. Panduan ini akan melalui langkah-langkah mensimulasikan ECG dalam perisian simulasi litar.

Bekalan:

LTSpice atau simulator litar yang serupa

Langkah 1: Bina Penguat Instrumentasi

Tujuan penguat instrumentasi adalah untuk menguatkan isyarat yang sangat kecil yang sering dikelilingi oleh tahap kebisingan yang tinggi. Voltan isyarat input ke dalam EMG biasanya antara 1 mV hingga 5 mV dan tujuan tahap ini adalah untuk menguatkan isyarat itu dengan keuntungan kira-kira 1000. Ditunjukkan dalam skema, keuntungan dapat dikendalikan dengan persamaan berikut di mana R1 = R2, R4 = R5, dan R6 = R7:

Keuntungan = K1 * K2, di mana K1 = K2

K1 = 1 + (2R1 / R3)

K2 = -R6 / R4

Oleh itu, keuntungan itu ditetapkan sama dengan 1000, jadi K1 dan K2 adalah sekitar 31.6. Beberapa perintang boleh dipilih dengan sewenang-wenangnya dan yang lain dikira, selagi persamaan gandaan dipenuhi sama dengan 1000. Dalam litar fizikal, elektrod akan masuk ke penguat operasi, tetapi untuk tujuan simulasi satu dibumikan dan yang lain digunakan untuk menandakan perbezaan potensi. Node Vin akan digunakan untuk mensimulasikan gelombang input kemudian. Node Vout menuju ke peringkat seterusnya ECG. Penguat operasi LTC1151 dipilih karena terletak di perpustakaan LTSpice, memiliki CMRR tinggi, dan telah digunakan dalam instrumen perubatan. Mana-mana penguat operasi asas dengan voltan bekalan + 15V dan -15V akan berfungsi dalam sistem ini.

Langkah 2: Bina Penapis Notch

Tahap seterusnya dalam ECG adalah saringan takik untuk menyaring gangguan talian kuasa yang berlaku pada frekuensi 60 Hz. Penapis takik berfungsi dengan mengeluarkan sebilangan kecil isyarat yang berlaku hampir dengan frekuensi tunggal. Oleh itu, dengan menggunakan frekuensi cutoff 60 Hz dan persamaan frekuensi cutoff, perintang dan kapasitor yang sesuai dapat dipilih. Dengan menggunakan skema di atas dan perhatikan bahawa C = C1 = C2, C3 = 2 * C1, R = R10, dan R8 = R9 = 2 * R10, nilai kapasitor dapat dipilih sewenang-wenangnya (Contoh menunjukkan kapasitor 1uF dipilih). Dengan menggunakan persamaan berikut, nilai perintang yang sesuai dapat dikira dan digunakan pada tahap ini:

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

Node Vin adalah output dari penguat instrumentasi dan simpul Vout menuju ke peringkat seterusnya.

Langkah 3: Bina Penapis Bandpass

Tahap terakhir sistem terdiri daripada penapis jalur lebar aktif untuk menghilangkan kebisingan di atas dan di bawah julat frekuensi tertentu. Pengembaraan garis bawah, disebabkan oleh garis dasar isyarat yang berbeza-beza dengan waktu, berlaku di bawah 0.6 Hz dan kebisingan EMG, yang disebabkan oleh kehadiran bunyi otot, berlaku pada frekuensi di atas 100 Hz. Oleh itu, nombor ini ditetapkan sebagai frekuensi pemotongan. Penapis jalur lebar terdiri daripada penapis lulus rendah diikuti oleh penapis lulus tinggi. Walau bagaimanapun, kedua-dua penapis mempunyai frekuensi pemotongan yang sama:

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

Menggunakan 1uF sebagai nilai kapasitor sewenang-wenangnya, dan 0.6 dan 100 sebagai frekuensi pemotongan, nilai perintang dihitung untuk bahagian penapis yang sesuai. Node Vin berasal dari output saringan takik dan simpul Vout adalah di mana output simulasi sistem penuh akan diukur. Dalam sistem fizikal, output ini akan disambungkan ke osiloskop atau peranti paparan serupa untuk melihat gelombang ECG dalam masa nyata.

Langkah 4: Uji Penguat Instrumentasi

Seterusnya, penguat instrumentasi akan diuji untuk memastikan ia memberikan keuntungan 1000. Untuk melakukan ini, masukkan gelombang sinusoidal pada frekuensi dan amplitud sewenang-wenangnya. Contoh ini menggunakan puncak 2mV ke puncak amplitud untuk mewakili gelombang EMG dan frekuensi 1000 Hz. Simulasikan penguat instrumentasi dalam perisian simulasi litar dan plotkan bentuk gelombang input dan output. Dengan menggunakan fungsi kursor, catat magnitud input dan output, dan hitung kenaikan dengan Gain = Vout / Vin. Sekiranya keuntungan ini kira-kira 1000, tahap ini berfungsi dengan baik. Analisis statistik tambahan dapat dilakukan pada tahap ini dengan mempertimbangkan toleransi resistor dan mengubah nilai resistor sebanyak + 5% dan -5% untuk melihat bagaimana ia mempengaruhi gelombang output dan keuntungan berikutnya.

Langkah 5: Uji Notch Filter

Uji penekan takik dengan melakukan sapuan AC dari jarak yang mengandungi 60 Hz. Dalam contoh ini, sapuan dijalankan dari 1 Hz hingga 200 Hz. Plot yang dihasilkan, ketika diukur pada simpul Vout, akan menghasilkan grafik penguatan dalam dB berbanding frekuensi dalam Hz. Grafik harus bermula dan berakhir pada penguatan 0 dB pada frekuensi jauh dari 60 Hz di kedua arah dan penurunan amplifikasi yang besar harus muncul pada atau sangat hampir dengan 60 Hz. Ini menunjukkan bahawa isyarat yang berlaku pada frekuensi ini dikeluarkan dengan betul dari isyarat yang diinginkan. Analisis statistik tambahan dapat dilakukan pada tahap ini dengan mempertimbangkan toleransi resistor dan mengubah nilai resistor dan kapasitor sebanyak + 5% dan -5% untuk melihat bagaimana ia mempengaruhi frekuensi pemotongan eksperimen (frekuensi yang mengalami pelemahan paling grafik).

Langkah 6: Uji Bandpass Filter

Terakhir, uji penapis jalur lebar dengan melakukan analisis penyapu AC yang lain. Kali ini, sapuan harus dari frekuensi kurang dari 0.6 dan lebih besar dari 100 untuk memastikan jalur lebar dapat dilihat secara grafik. Sekali lagi, jalankan analisis dengan mengukur pada simpul Vout yang ditunjukkan dalam skema. Outputnya harus seperti gambar di atas di mana penguatannya negatif semakin jauh dari julat 0,6-100Hz. Titik di mana penguatan adalah -3dB harus 0,6 dan 100 Hz, atau nilai sangat dekat dengan titik untuk titik pertama dan kedua, masing-masing. Titik -3dB menandakan apabila isyarat dilemahkan ke titik di mana output pada frekuensi ini akan menjadi separuh daripada daya asal. Oleh itu, titik -3dB digunakan untuk menganalisis pelemahan isyarat untuk penapis. Sekiranya titik -3dB pada grafik yang dihasilkan sesuai dengan julat jalur lebar, tahapnya berfungsi dengan baik.

Analisis statistik tambahan dapat dilakukan pada tahap ini dengan mempertimbangkan toleransi resistor dan mengubah nilai resistor dan kapasitor sebanyak + 5% dan -5% untuk melihat bagaimana ia mempengaruhi kedua-dua frekuensi pemotongan eksperimen.

Langkah 7: Gabungkan Sistem ECG Penuh

Akhirnya, apabila ketiga-tiga peringkat disahkan berfungsi dengan baik, letakkan ketiga-tiga peringkat ECG bersama dan hasil akhir selesai. Gelombang ECG yang disimulasikan dapat dimasukkan ke dalam tahap penguat instrumentasi dan gelombang yang dihasilkan harus menjadi gelombang ECG yang diperkuat.