Simulatore di circuito ECG automatizzato: 4 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

Un elettrocardiogramma (ECG) è una tecnica potente utilizzata per misurare l'attività elettrica del cuore di un paziente. La forma unica di questi potenziali elettrici differisce a seconda della posizione degli elettrodi di registrazione ed è stata utilizzata per rilevare molte condizioni. Con la diagnosi precoce di una varietà di condizioni cardiache, i medici possono fornire ai loro pazienti una moltitudine di raccomandazioni per affrontare la loro situazione. Questa macchina è composta da tre componenti principali: un amplificatore per strumentazione seguito da un filtro notch e un filtro passa banda. L'obiettivo di queste parti è amplificare i segnali in ingresso, rimuovere i segnali indesiderati e trasmettere tutti i segnali biologici rilevanti. L'analisi del sistema risultante ha dimostrato che l'elettrocardiogramma, come previsto, svolge i compiti desiderati per produrre un segnale ECG utilizzabile, dimostrando la sua utilità per rilevare le condizioni cardiache.

Forniture:

• LTSpice Software
• File di segnale ECG

Passaggio 1: amplificatore per strumentazione

L'amplificatore della strumentazione, a volte abbreviato INA, viene utilizzato per amplificare i segnali biologici di basso livello osservati dal paziente. Un tipico INA è costituito da tre amplificatori operazionali (Op Amps). Due amplificatori operazionali dovrebbero essere nella configurazione non invertente e l'ultimo amplificatore operazionale nella configurazione differenziale. Sette resistori vengono utilizzati insieme agli amplificatori operazionali per consentirci di variare il guadagno modificando le dimensioni del valore del resistore. Dei resistori, ci sono tre coppie e una dimensione individuale.

Per questo progetto, utilizzerò un guadagno di 1000 per amplificare i segnali. Quindi sceglierò valori arbitrari R2, R3 e R4 (è più semplice se R3 e R4 sono di dimensioni equivalenti perché si annullerebbero a 1, aprendo la strada a calcoli più semplici). Da qui, posso risolvere per R1 di avere tutte le dimensioni dei componenti necessarie.

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

Usando l'equazione del guadagno sopra e i valori R2 = 50kΩ e R3 = R4 = 10kΩ, otteniamo R1 = 100Ω.

Per verificare che il guadagno sia effettivamente 1000, possiamo eseguire il circuito con una funzione di scansione.ac e osservare dove si verifica il plateau. In questo caso, è 60 dB. Usando l'equazione seguente, possiamo convertire il dB in Vout/Vin adimensionale, che finisce per essere 1000, come previsto.

Guadagno, dB = 20*log (Vout/Vin)

Passaggio 2: filtro notch

Il prossimo componente da progettare è il filtro notch. Il valore dei componenti per questo filtro dipende in gran parte dalla frequenza che si desidera eliminare. Per questo progetto, vogliamo eliminare la frequenza di 60 Hz (fc) rilasciata dalla strumentazione medica.

Un filtro notch a doppia T può essere utilizzato in questo progetto per garantire che solo il desiderato venga tagliato e che non attenuiamo accidentalmente le frequenze biologiche desiderate vicino al segno di 60 Hz. I valori dei componenti sono stati trovati selezionando valori di resistori arbitrari, di cui ho scelto di utilizzare 2kΩ per il filtro passa basso (T in alto) e 1kΩ per il filtro passa alto (T in basso). Usando l'equazione seguente, ho risolto per i valori del condensatore necessari.

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

Il diagramma di Bode è stato trovato ancora una volta utilizzando la funzione di scansione.ac offerta da LTSpice.

Passaggio 3: filtro passa banda

Il componente finale del sistema ECG automatizzato è necessario per far passare le frequenze biologiche poiché questo è ciò che ci interessa. Il tipico segnale ECG si verifica tra 0,5 Hz e 150 Hz (fc), quindi potrebbero essere utilizzati due filtri; un filtro passa banda o un filtro passa basso. In questo progetto, è stato utilizzato un filtro passa banda in quanto è un po' più preciso del passa basso, anche se questo funzionerebbe comunque poiché le frequenze biologiche generalmente non hanno comunque alte frequenze.

Un filtro passa banda contiene due parti: un filtro passa alto e un filtro passa basso. Il filtro passa alto viene prima dell'amplificatore operazionale e il passa basso è dopo. Ricorda che ci sono una varietà di progetti di filtri passa-banda che potrebbero essere utilizzati.

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

Ancora una volta, si scelgono valori arbitrari per trovare i valori richiesti di altre parti. Nell'ultimo filtro, ho scelto valori di resistori arbitrari e ho risolto per i valori del condensatore. Per dimostrare che non importa con quale inizi, ora sceglierò valori arbitrari del condensatore da risolvere per i valori del resistore. In questo caso, ho scelto un valore del condensatore di 1uF. Usando l'equazione sopra, uso una frequenza di taglio alla volta per risolvere il rispettivo resistore. Per semplicità, userò lo stesso valore del condensatore per entrambe le parti passa alto e passa basso del filtro passa banda. Lo 0,5 Hz verrà utilizzato per risolvere il resistore passa alto e la frequenza di taglio di 150 Hz viene utilizzata per trovare il resistore passa basso.

Un diagramma di Bode può essere usato ancora una volta per vedere se il progetto del circuito ha funzionato in modo appropriato.

Passaggio 4: sistema completo

Dopo che ogni componente è stato verificato per funzionare da solo, le parti possono essere combinate in un unico sistema. Utilizzando i dati ECG importati e la funzione PWL nel generatore della sorgente di tensione, è possibile eseguire simulazioni per garantire che il sistema amplifichi correttamente e trasmetta le frequenze biologiche desiderate.

Lo screenshot del grafico in alto è un esempio di come appaiono i dati di output utilizzando una funzione.tran e lo screenshot del grafico in basso è il rispettivo grafico di bode che utilizza la funzione.ac.

È possibile scaricare dati ECG di input diversi (in questa pagina sono stati aggiunti due file di input ECG diversi) e portarli nella funzione per testare il sistema su pazienti modellati diversi.