Simulador de circuits ECG automatitzat: 4 passos

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

Un electrocardiograma (ECG) és una tècnica poderosa que s’utilitza per mesurar l’activitat elèctrica del cor d’un pacient. La forma única d’aquests potencials elèctrics difereix en funció de la ubicació dels elèctrodes de gravació i s’ha utilitzat per detectar moltes condicions. Amb la detecció precoç de diverses afeccions cardíaques, els metges poden proporcionar als seus pacients multitud de recomanacions per abordar la seva situació. Aquesta màquina està formada per tres components principals: un amplificador d’instrumentació seguit d’un filtre d’escot i un filtre de pas de banda. L’objectiu d’aquestes parts és amplificar els senyals entrants, eliminar els senyals no desitjats i passar tots els senyals biològics rellevants. L’anàlisi del sistema resultant va demostrar que l’electrocardiograma, com s’esperava, realitza les tasques desitjades per produir un senyal d’ECG útil, demostrant la seva utilitat per detectar afeccions cardíaques.

Subministraments:

• Programari LTSpice
• Fitxers de senyal ECG

Pas 1: amplificador d'instrumentació

L’amplificador d’instrumentació, de vegades abreujat INA, s’utilitza per amplificar els senyals biològics de baix nivell que s’observen del pacient. Un INA típic consta de tres amplificadors operatius (Op Amps). Dos amplificadors operatius haurien d’estar a la configuració sense inversió i l’últim amplificador operatiu a la configuració diferencial. S’utilitzen set resistències junt amb els amplificadors opcionals per permetre’ns variar el guany canviant les mides del valor de la resistència. Dels resistors, hi ha tres parells i una mida individual.

Per a aquest projecte, utilitzaré un guany de 1.000 per amplificar els senyals. Després triaré valors arbitraris de R2, R3 i R4 (el més fàcil és que R3 i R4 tinguin una mida equivalent perquè es cancel·laran a 1, obrint un camí per facilitar els càlculs). A partir d’aquí, puc resoldre que R1 tingui totes les mides de components necessàries.

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

Utilitzant l’equació de guany anterior i els valors R2 = 50kΩ i R3 = R4 = 10kΩ, obtenim R1 = 100Ω.

Per comprovar que el guany és de fet 1000, podem executar el circuit amb una funció d'escombrat.ac i observar on es produeix l'altiplà. En aquest cas, és de 60 dB. Mitjançant l’equació següent, podem convertir el dB en Vout / Vin sense dimensions, que acabarà sent 1000, com s’esperava.

Guany, dB = 20 * registre (Vout / Vin)

Pas 2: filtre de tacs

El següent component que es dissenyarà és el filtre de graelles. El valor dels components d’aquest filtre depèn en gran mesura de la freqüència que vulgueu destacar. Per a aquest disseny, volem retallar la freqüència de 60 Hz (fc) que allibera la instrumentació mèdica.

En aquest disseny, s’utilitzarà un filtre d’escotadura de doble t per assegurar que només es retallarà el desitjat i que no atenuarem accidentalment les freqüències biològiques desitjades a prop de la marca de 60 Hz. Els valors dels components es van trobar seleccionant valors de resistència arbitraris, dels quals vaig escollir utilitzar 2kΩ per al filtre de pas baix (T superior) i 1kΩ per al filtre de pas alt (T inferior). Amb l'equació següent, he resolt els valors necessaris del condensador.

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

La trama Bode es va trobar una vegada més mitjançant la funció d'escombrat.ac que ofereix LTSpice.

Pas 3: filtre de pas de banda

El component final del sistema ECG automatitzat és necessari per passar freqüències biològiques, ja que és el que ens interessa. El senyal ECG típic es produeix entre 0,5 Hz i 150 Hz (fc), per tant es podrien utilitzar dos filtres; ja sigui un filtre de pas de banda o un filtre de pas baix. En aquest disseny, es va utilitzar un filtre de pas de banda, ja que és una mica més precís que el pas baix, tot i que encara funcionaria, ja que les freqüències biològiques no tenen freqüències altes de totes maneres.

Un filtre de pas de banda conté dues parts: un filtre de pas alt i un filtre de pas baix. El filtre de pas alt arriba abans de l’Op Amp i el de baix passa després. Recordeu que hi ha una gran varietat de dissenys de filtres de banda que es podrien utilitzar.

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

Una vegada més, s’escolliran valors arbitraris per trobar els valors requerits d’altres parts. Al darrer filtre, vaig triar valors de resistència arbitraris i els vaig resoldre per als valors del condensador. Per demostrar que no importa amb quin comenceu, ara triaré valors de condensador arbitraris per resoldre els valors de la resistència. En aquest cas, he escollit un valor de condensador de 1uF. Utilitzant l’equació anterior, faig servir una freqüència de tall a la vegada per resoldre la resistència respectiva. Per simplicitat, utilitzaré el mateix valor del condensador tant per a les parts de pas alt com de pas baix al filtre de pas de banda. Els 0,5 Hz s’utilitzaran per resoldre la resistència de pas alt i la freqüència de tall de 150 Hz s’utilitzarà per trobar la resistència de pas baix.

Es pot tornar a utilitzar una trama Bode per veure si el disseny del circuit ha funcionat adequadament.

Pas 4: sistema complet

Després de verificar que cada component funciona per si sol, les peces es poden combinar en un sol sistema. Mitjançant les dades d’ECG importades i la funció PWL al generador de la font de tensió, podeu executar simulacions per assegurar-vos que el sistema amplifica i transmet correctament les freqüències biològiques desitjades.

La captura de pantalla de la trama superior és un exemple de l'aspecte de les dades de sortida mitjançant una funció.tran i la captura de pantalla de la trama inferior és la trama de bode respectiva que utilitza la funció.ac.

Es poden descarregar diferents dades d’ECG d’entrada (s’han afegit dos fitxers d’entrada d’ECG diferents a aquesta pàgina) i incorporar-los a la funció per provar el sistema en diferents pacients modelats.