Circuit d'ECG simulat: 7 passos

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

Un electrocardiograma és una prova comuna que s’utilitza tant en exàmens estàndard com en diagnòstics de malalties greus. Aquest dispositiu, conegut com a ECG, mesura els senyals elèctrics del cos responsables de regular els batecs del cor. La prova s’administra aplicant elèctrodes a la pell del subjecte i observant la sortida, que adopta la forma d’ona d’ECG coneguda que es mostra. Aquesta forma d’ona conté una ona P, complex QRS i ona T que representen cadascuna una resposta fisiològica. Aquesta guia recorrerà els passos per simular un ECG en un programari de simulació de circuits.

Subministraments:

Simulador de circuits LTSpice o similar

Pas 1: Creeu un amplificador d'instrumentació

L’objectiu d’un amplificador d’instrumentació és amplificar un senyal molt petit que sovint està envoltat per alts nivells de soroll. El voltatge del senyal d’entrada en un EMG sol estar entre 1 mV i 5 mV i el propòsit d’aquesta etapa és amplificar aquest senyal amb un guany d’aproximadament 1000. Es mostra en l’esquema, el guany es pot controlar mitjançant la següent equació on R1 = R2, R4 = R5 i R6 = R7:

Guany = K1 * K2, on K1 = K2

K1 = 1 + (2R1 / R3)

K2 = -R6 / R4

Per tant, el guany es va establir igual a 1000, de manera que K1 i K2 són aproximadament 31,6. Algunes resistències es poden triar arbitràriament i altres es poden calcular, sempre que l’equació de guany sigui igual a 1.000. la diferència de potencial. El node Vin s'utilitzarà per simular posteriorment ones d'entrada. El node Vout condueix a la següent etapa de l’ECG. Es va triar un amplificador operacional LTC1151 ja que es troba a la biblioteca LTSpice, té un CMRR elevat i s’ha utilitzat en instrumentació mèdica. Qualsevol amplificador operatiu bàsic amb una tensió d'alimentació de + 15V i -15V funcionaria en aquest sistema.

Pas 2: creeu un filtre de tacs

La següent etapa de l’ECG és un filtre de graella per filtrar les interferències de la línia elèctrica que es produeixen a una freqüència de 60 Hz. Un filtre de tacs funciona eliminant un petit rang de senyals que es produeixen molt a prop d’una freqüència singular. Per tant, utilitzant una freqüència de tall de 60 Hz i l’equació de freqüència de tall, es poden triar resistències i condensadors adequats. Utilitzant l’esquema anterior i assenyalant que C = C1 = C2, C3 = 2 * C1, R = R10 i R8 = R9 = 2 * R10, es poden triar arbitràriament els valors del condensador (L’exemple mostra un condensador de 1uF triat). Utilitzant la següent equació, es poden calcular i utilitzar els valors de resistència adequats en aquesta etapa:

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

El node Vin és la sortida de l'amplificador d'instrumentació i el node Vout condueix a la següent etapa.

Pas 3: creeu un filtre de pas de banda

L'última etapa del sistema consisteix en un filtre de pas de banda actiu per eliminar el soroll per sobre i per sota d'un cert rang de freqüències. El passeig de la línia de base, causat per la línia de base del senyal que varia amb el temps, es produeix per sota de 0,6 Hz i el soroll EMG, causat per la presència de soroll muscular, es produeix a freqüències superiors a 100 Hz. Per tant, aquests nombres s’estableixen com a freqüències de tall. El filtre de pas de banda consisteix en un filtre de pas baix seguit d’un filtre de pas alt. Tanmateix, tots dos filtres tenen la mateixa freqüència de tall:

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

Utilitzant 1uF com a valor de condensador arbitrari i 0,6 i 100 com a freqüències de tall, es van calcular els valors de la resistència per a les porcions adequades del filtre. El node Vin prové de la sortida del filtre de graella i el node Vout és on es mesurarà la sortida simulada del sistema complet. En un sistema físic, aquesta sortida es connectaria a un oscil·loscopi o dispositiu de visualització similar per veure les ones ECG en temps real.

Pas 4: proveu l'amplificador d'instrumentació

A continuació, es provarà l'amplificador d'instrumentació per assegurar-se que proporciona un guany de 1000. Per fer-ho, introduïu una ona sinusoïdal a una freqüència i amplitud arbitràries. Aquest exemple utilitzava una amplitud de pic a pic de 2 mV per representar una ona EMG i una freqüència de 1000 Hz. Simuleu l'amplificador d'instrumentació al programari de simulació de circuits i traqueu les formes d'ona d'entrada i sortida. Mitjançant una funció de cursor, anoteu les magnituds d’entrada i sortida i calculeu el guany per Gain = Vout / Vin. Si aquest guany és aproximadament de 1.000, aquesta etapa funciona correctament. Es pot realitzar anàlisi estadística addicional en aquesta etapa tenint en compte les toleràncies de les resistències i modificant els valors de les resistències en un + 5% i un -5% per veure com afecta l’ona de sortida i el guany posterior.

Pas 5: proveu el filtre Notch

Proveu el filtre de graella mitjançant un escombrat de corrent altern des d’un interval que conté 60 Hz. En aquest exemple, l'escombrat es va executar d'1 Hz a 200 Hz. El gràfic resultant, quan es mesura al node Vout, generarà un gràfic d'amplificació en dB vs. freqüència en Hz. El gràfic hauria de començar i acabar amb una amplificació de 0 dB a freqüències allunyades dels 60 Hz en ambdues direccions i una gran caiguda de l'amplificació hauria d'aparèixer a 60 Hz o molt a prop. Això mostra que els senyals que es produeixen a aquesta freqüència s’eliminen correctament del senyal desitjat. Es pot realitzar anàlisi estadística addicional en aquesta etapa tenint en compte les toleràncies de les resistències i modificant els valors de la resistència i del condensador en un + 5% i un -5% per veure com afecta la freqüència de tall experimental (la freqüència que experimenta més atenuació gràficament).

Pas 6: proveu el filtre de pas de banda

Per últim, proveu el filtre de banda passant realitzant una altra anàlisi d’escombrat de CA. Aquesta vegada, l’escombrat hauria de ser d’una freqüència inferior a 0,6 i superior a 100 per garantir que el pas de banda es pugui veure gràficament. Una vegada més, executeu l’anàlisi mesurant al node Vout que es mostra a l’esquema. La sortida hauria de ser semblant a la figura anterior, on l’amplificació és negativa més lluny del rang de 0,6-100Hz. Els punts en què l'amplificació és de -3dB haurien de ser de 0,6 i 100 Hz, o valors molt propers als del primer i segon punt, respectivament. Els punts -3dB signifiquen quan un senyal s’atenua fins al punt en què la sortida a aquestes freqüències serà la meitat de la potència original. Per tant, els punts -3dB s’utilitzen per analitzar l’atenuació dels senyals dels filtres. Si els punts -3dB del gràfic emès coincideixen amb l’interval de pas de banda, l’escenari funciona correctament.

Es pot realitzar anàlisi estadística addicional en aquesta etapa tenint en compte les toleràncies de la resistència i modificant els valors de la resistència i del condensador en un + 5% i un -5% per veure com afecta les dues freqüències de tall experimentals.

Pas 7: uniu el sistema ECG complet

Finalment, quan es confirmi que les tres etapes funcionen correctament, col·loqueu les tres etapes de l’ECG juntes i es finalitzarà el resultat final. Una ona d'ECG simulada es pot introduir a la fase d'amplificació de la instrumentació i l'ona de sortida hauria de ser una ona d'ECG amplificada.