Model de circuit ECG automatitzat: 4 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:10

L’objectiu d’aquest projecte és crear un model de circuit amb múltiples components que puguin amplificar i filtrar adequadament un senyal d’ECG entrant. Es modelaran tres components de manera individual: un amplificador d’instrumentació, un filtre d’escot activat i un filtre passiu de banda passiu. Es combinaran per crear el model de circuit ECG final. Tots els models i proves de circuits es duien a terme a LTspice, però també funcionarien altres programes de simulació de circuits.

Pas 1: amplificador d'instrumentació

Aquest serà el primer component del model complet d’ECG. El seu propòsit és amplificar el senyal d’ECG entrant, que inicialment tindrà una tensió molt baixa. Vaig optar per combinar amplificadors operatius i components resistius de manera que produïssin un guany de 1000. La primera imatge mostra el disseny de l’amplificador d’instrumentació modelat a LTspice. La segona imatge mostra equacions rellevants i càlculs realitzats. Un cop modelat completament, es va realitzar una anàlisi transitòria d'un senyal d'entrada sinusoidal d'1 mV a 75 Hz a LTspice per confirmar un guany de 1000. La tercera imatge mostra els resultats d'aquesta anàlisi.

Pas 2: filtre actiu de tall

Aquest serà el segon component del model complet d’ECG. El seu propòsit és atenuar els senyals amb una freqüència de 60 Hz, que és la freqüència de la interferència de tensió de línia de corrent altern. Això distorsiona els senyals d’ECG i sol estar present en tots els entorns clínics. Vaig optar per combinar un amplificador operatiu amb components resistius i capacitius en una configuració de filtre de doble t. La primera imatge mostra el disseny del filtre d’escot modelat a LTspice. La segona imatge mostra equacions rellevants i càlculs realitzats. Un cop modelat completament, es va realitzar un escombrat de CA d’un senyal d’entrada sinusoidal d’1 V d’1 Hz a 100 kHz a LTspice per confirmar una osca a 60 Hz. La tercera imatge mostra els resultats d'aquesta anàlisi. La lleugera variació dels resultats de la simulació en comparació amb els resultats previstos es deu probablement a l’arrodoniment realitzat en calcular els components resistius i capacitius d’aquest circuit.

Pas 3: filtre passiu de banda passiu

Aquest serà el tercer component del model complet d’ECG. El seu propòsit és filtrar els senyals que no estiguin dins del rang de 0,05 Hz a 250 Hz, ja que aquest és el rang d’un ECG adult típic. Vaig optar per combinar components resistius i capacitius, de manera que el tall de pas alt seria de 0,05 Hz i el tall de pas baix seria de 250 Hz. La primera imatge mostra el disseny del filtre passiu de banda modelat a LTspice. La segona imatge mostra equacions rellevants i càlculs realitzats. Un cop modelat completament, es va realitzar un escombrat de CA d’un senyal d’entrada sinusoidal d’1 V des de 0,01 Hz - 100 kHz a LTspice per confirmar les freqüències de tall de pas alt i baix. La tercera imatge mostra els resultats d'aquesta anàlisi. La lleugera variació dels resultats de la simulació en comparació amb els resultats previstos es deu probablement a l’arrodoniment realitzat en calcular els components resistius i capacitius d’aquest circuit.

Pas 4: Combinació de components del circuit

Ara que tots els components han estat dissenyats i provats individualment, es poden combinar en sèrie en l’ordre en què es van crear. Això dóna lloc a un model de circuit ECG complet que conté primer un amplificador d'instrumentació per amplificar el senyal 1000x. A continuació, s’utilitza un filtre d’inclinació per eliminar el soroll de la tensió de línia de 60 Hz. Finalment, el filtre de pas de banda no permet passar el senyal que estigui fora del rang d’un ECG per a adults típic (0,05 Hz - 250 Hz). Un cop combinats, tal com es mostra a la primera imatge, es pot realitzar una anàlisi transitòria i un escombrat de CA complet a LTspice amb un voltatge d'entrada d'1 mV (sinusoidal) per assegurar-se que els components funcionen junts com s'anticipava. La segona imatge mostra els resultats de l’anàlisi transitòria, que mostren l’amplificació del senyal d’1 mV a ~ 0,85 V. Això vol dir que els components del filtre de graella o pas de banda atenuen lleugerament el senyal després que l’amplificador d’instrumentació l’hagi amplificat inicialment 1000x. La tercera imatge mostra els resultats de l’escombrat de CA. Aquest gràfic Bode mostra els talls de pas alt i baix que coincideixen amb els del diagrama Bode del filtre de pas de banda quan es prova individualment. També hi ha una lleugera caiguda al voltant dels 60 Hz, que és on el filtre de graelles funciona per eliminar el soroll no desitjat.