Αυτόματος προσομοιωτής κυκλώματος ΗΚΓ: 4 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:31

Το ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ) είναι μια ισχυρή τεχνική που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της ηλεκτρικής δραστηριότητας της καρδιάς του ασθενούς. Το μοναδικό σχήμα αυτών των ηλεκτρικών δυνατοτήτων διαφέρει ανάλογα με τη θέση των ηλεκτροδίων καταγραφής και έχει χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό πολλών συνθηκών. Με την έγκαιρη ανίχνευση μιας ποικιλίας καρδιακών παθήσεων, οι γιατροί μπορούν να παρέχουν στους ασθενείς τους μια πληθώρα συστάσεων που αφορούν την κατάστασή τους. Αυτό το μηχάνημα αποτελείται από τρία κύρια στοιχεία: έναν ενισχυτή οργάνων ακολουθούμενο από ένα φίλτρο εγκοπών και ένα φίλτρο διέλευσης ζώνης. Ο στόχος αυτών των τμημάτων είναι να ενισχύσουν τα εισερχόμενα σήματα, να αφαιρέσουν τα ανεπιθύμητα σήματα και να περάσουν όλα τα σχετικά βιολογικά σήματα. Η ανάλυση του συστήματος που προέκυψε απέδειξε ότι το ηλεκτροκαρδιογράφημα, όπως ήταν αναμενόμενο, εκτελεί τα επιθυμητά καθήκοντά του για να παράγει ένα χρήσιμο σήμα ΗΚΓ, καταδεικνύοντας τη χρησιμότητά του για τον εντοπισμό καρδιακών παθήσεων.

Προμήθειες:

• Λογισμικό LTSpice
• Αρχεία σήματος ΗΚΓ

Βήμα 1: Ενισχυτής οργάνων

Ο ενισχυτής οργάνων, μερικές φορές συντομευμένος INA, χρησιμοποιείται για την ενίσχυση των βιολογικών σημάτων χαμηλού επιπέδου που παρατηρούνται από τον ασθενή. Ένα τυπικό INA αποτελείται από τρεις λειτουργικούς ενισχυτές (Op Amps). Δύο ενισχυτές Op πρέπει να βρίσκονται στη μη αναστρέψιμη διαμόρφωση και ο τελευταίος ενισχυτής Op στη διαφορική διαμόρφωση. Επτά αντιστάσεις χρησιμοποιούνται παράλληλα με τα ενισχυτικά Op για να μας επιτρέψουν να διαφοροποιήσουμε το κέρδος αλλάζοντας τα μεγέθη της τιμής της αντίστασης. Από τις αντιστάσεις, υπάρχουν τρία ζεύγη και ένα μεμονωμένο μέγεθος.

Για αυτό το έργο, θα χρησιμοποιήσω ένα κέρδος 1000 για να ενισχύσω τα σήματα. Στη συνέχεια, θα επιλέξω αυθαίρετες τιμές R2, R3 και R4 (είναι ευκολότερο εάν τα R3 και R4 είναι ισοδύναμα σε μέγεθος επειδή θα ακυρώνονται στο 1, ανοίγοντας το δρόμο για ευκολότερους υπολογισμούς). Από εδώ, μπορώ να λύσω για το R1 να έχει όλα τα απαραίτητα μεγέθη εξαρτημάτων.

Κέρδος = (1 + 2R2/R1) * (R4/R3)

Χρησιμοποιώντας την εξίσωση κέρδους παραπάνω και τις τιμές R2 = 50kΩ και R3 = R4 = 10kΩ, παίρνουμε R1 = 100Ω.

Για να ελέγξουμε ότι το κέρδος είναι στην πραγματικότητα 1000, μπορούμε να τρέξουμε το κύκλωμα με συνάρτηση σάρωσης.ac και να παρατηρήσουμε πού συμβαίνει το οροπέδιο. Σε αυτή την περίπτωση, είναι 60 dB. Χρησιμοποιώντας την παρακάτω εξίσωση, μπορούμε να μετατρέψουμε το dB σε αδιάστατο Vout/Vin, το οποίο καταλήγει να είναι 1000, όπως αναμενόταν.

Κέρδος, dB = 20*log (Vout/Vin)

Βήμα 2: Φίλτρο εγκοπών

Το επόμενο στοιχείο που θα σχεδιαστεί είναι το φίλτρο εγκοπών. Η τιμή των εξαρτημάτων για αυτό το φίλτρο εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη συχνότητα που θέλετε να επιτύχετε. Για αυτόν τον σχεδιασμό, θέλουμε να κόψουμε τη συχνότητα 60 Hz (fc) που απελευθερώνεται με ιατρικά όργανα.

Ένα φίλτρο διπλής εγκοπής που θα χρησιμοποιηθεί σε αυτόν τον σχεδιασμό για να διασφαλίσει ότι θα κοπεί μόνο το επιθυμητό και ότι δεν θα μειώσουμε κατά λάθος τις επιθυμητές βιολογικές συχνότητες κοντά στα 60 Hz. Οι τιμές των συστατικών βρέθηκαν επιλέγοντας τιμές αυθαίρετης αντίστασης, από τις οποίες επέλεξα να χρησιμοποιήσω 2kΩ για το φίλτρο χαμηλής διέλευσης (επάνω Τ) και 1kΩ για το φίλτρο υψηλής διέλευσης (κάτω Τ). Χρησιμοποιώντας την παρακάτω εξίσωση, έλυσα τις απαραίτητες τιμές πυκνωτή.

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

Το οικόπεδο Bode βρέθηκε για άλλη μια φορά χρησιμοποιώντας τη λειτουργία.ac sweep που προσφέρει το LTSpice.

Βήμα 3: Φίλτρο Band Pass

Το τελευταίο συστατικό του αυτοματοποιημένου συστήματος ΗΚΓ είναι απαραίτητο για τη μετάδοση βιολογικών συχνοτήτων, καθώς αυτό μας ενδιαφέρει. Το τυπικό σήμα ΗΚΓ εμφανίζεται μεταξύ 0,5 Hz και 150 Hz (fc), επομένως θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν δύο φίλτρα. είτε φίλτρο ζώνης διέλευσης είτε φίλτρο χαμηλής διέλευσης. Σε αυτό το σχέδιο, χρησιμοποιήθηκε ένα φίλτρο ζώνης διέλευσης καθώς είναι λίγο πιο ακριβές από το χαμηλό πέρασμα, αν και αυτό θα εξακολουθούσε να λειτουργεί αφού οι βιολογικές συχνότητες γενικά δεν έχουν υψηλές συχνότητες ούτως ή άλλως.

Ένα φίλτρο ζώνης διέλευσης περιέχει δύο μέρη: ένα φίλτρο υψηλής διέλευσης και ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης. Το φίλτρο υψηλής διέλευσης έρχεται πριν από το Op Amp και το χαμηλό πέρασμα είναι μετά. Θυμηθείτε ότι υπάρχει μια ποικιλία σχεδίων φίλτρου διέλευσης ζωνών που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν.

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

Για άλλη μια φορά, πρέπει να επιλεγούν αυθαίρετες τιμές για να βρεθούν οι απαιτούμενες τιμές άλλων τμημάτων. Στο τελευταίο φίλτρο, επέλεξα αυθαίρετες τιμές αντίστασης και έλυσα για τις τιμές του πυκνωτή. Για να αποδείξω ότι δεν έχει σημασία με ποια ξεκινάτε, θα επιλέξω τώρα αυθαίρετες τιμές πυκνωτή που θα λύσω για τις τιμές αντίστασης. Σε αυτήν την περίπτωση, επέλεξα μια τιμή πυκνωτή 1uF. Χρησιμοποιώντας την παραπάνω εξίσωση, χρησιμοποιώ μία συχνότητα διακοπής κάθε φορά για να λύσω την αντίστοιχη αντίσταση. Για απλότητα, θα χρησιμοποιήσω την ίδια τιμή πυκνωτή τόσο για τα τμήματα υψηλής διέλευσης όσο και για τα χαμηλά περάσματα στο φίλτρο διέλευσης ζώνης. Το 0,5 Hz θα χρησιμοποιηθεί για την επίλυση της αντίστασης υψηλής διέλευσης και η συχνότητα διακοπής 150 Hz θα χρησιμοποιηθεί για την εύρεση της αντίστασης χαμηλής διέλευσης.

Μια γραφική παράσταση Bode μπορεί να χρησιμοποιηθεί για άλλη μια φορά για να διαπιστωθεί εάν ο σχεδιασμός του κυκλώματος λειτούργησε σωστά.

Βήμα 4: Πλήρες σύστημα

Αφού επαληθευτεί ότι κάθε συστατικό λειτουργεί μόνο του, τα μέρη μπορούν να συνδυαστούν σε ένα σύστημα. Χρησιμοποιώντας εισαγόμενα δεδομένα ΗΚΓ και τη λειτουργία PWL στη γεννήτρια πηγής τάσης, μπορείτε να εκτελέσετε προσομοιώσεις για να διασφαλίσετε ότι το σύστημα ενισχύει και περνά σωστά τις επιθυμητές βιολογικές συχνότητες.

Το επάνω πλάνο οθόνης είναι ένα παράδειγμα του πώς μοιάζουν τα δεδομένα εξόδου χρησιμοποιώντας μια συνάρτηση.tran και το κάτω στιγμιότυπο οθόνης είναι το αντίστοιχο διάγραμμα bode χρησιμοποιώντας τη συνάρτηση.ac.

Διαφορετικά δεδομένα ΗΚΓ εισόδου μπορούν να μεταφορτωθούν (δύο διαφορετικά αρχεία εισαγωγής ΗΚΓ έχουν προστεθεί σε αυτήν τη σελίδα) και να εισαχθούν στη λειτουργία δοκιμής του συστήματος σε διαφορετικούς μοντέλους ασθενείς.