Circuito ECG simulato: 7 passaggi

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

Un elettrocardiogramma è un test comune utilizzato sia negli esami standard che nella diagnosi di malattie gravi. Questo dispositivo, noto come ECG, misura i segnali elettrici all'interno del corpo responsabili della regolazione del battito cardiaco. Il test viene somministrato applicando elettrodi sulla pelle del soggetto e osservando l'uscita, che assume la forma della nota forma d'onda ECG mostrata. Questa forma d'onda contiene un'onda P, un complesso QRS e un'onda T che rappresentano ciascuna una risposta fisiologica. Questa guida illustrerà le fasi della simulazione di un ECG in un software di simulazione di circuiti.

Forniture:

Simulatore di circuito LTSpice o simile

Passaggio 1: costruire un amplificatore per strumentazione

Lo scopo di un amplificatore per strumentazione è quello di amplificare un segnale molto piccolo che è spesso circondato da alti livelli di rumore. La tensione del segnale di ingresso in un EMG è tipicamente compresa tra 1 mV e 5 mV e lo scopo di questa fase è amplificare quel segnale con un guadagno di circa 1000. Nello schema, il guadagno può essere controllato dalla seguente equazione dove R1 = R2, R4 = R5 e R6 = R7:

Guadagno = K1*K2, dove K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

Il guadagno quindi è stato posto pari a 1000, quindi K1 e K2 sono circa 31,6. Alcuni resistori possono essere scelti arbitrariamente e altri calcolati, purché l'equazione del guadagno sia soddisfatta per essere uguale a 1000. In un circuito fisico, gli elettrodi andrebbero negli amplificatori operazionali, ma per scopi di simulazione uno è messo a terra e l'altro è usato per indicare la differenza potenziale. Il nodo Vin verrà utilizzato per simulare in seguito le onde in ingresso. Il nodo Vout conduce alla fase successiva dell'ECG. È stato scelto un amplificatore operazionale LTC1151 poiché si trova nella libreria LTSpice, ha un CMRR elevato ed è stato utilizzato nella strumentazione medica. Qualsiasi amplificatore operazionale di base con tensione di alimentazione di +15V e -15V funzionerebbe in questo sistema.

Passaggio 2: crea un filtro notch

La fase successiva dell'ECG è un filtro notch per filtrare le interferenze sulla linea di alimentazione che si verificano a una frequenza di 60 Hz. Un filtro notch funziona rimuovendo una piccola gamma di segnali che si verificano molto vicino a una frequenza singola. Pertanto, utilizzando una frequenza di taglio di 60 Hz e l'equazione della frequenza di taglio, è possibile scegliere resistori e condensatori appropriati. Usando lo schema sopra e notando che C = C1 = C2, C3 = 2*C1, R = R10 e R8 = R9 = 2*R10, i valori del condensatore possono essere scelti arbitrariamente (l'esempio mostra un condensatore da 1uF scelto). Utilizzando la seguente equazione, è possibile calcolare e utilizzare i valori di resistenza appropriati in questa fase:

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

Il nodo Vin è l'uscita dall'amplificatore della strumentazione e il nodo Vout conduce allo stadio successivo.

Passaggio 3: crea un filtro passabanda

L'ultimo stadio del sistema è costituito da un filtro passa-banda attivo per rimuovere il rumore sopra e sotto un certo intervallo di frequenze. La deviazione della linea di base, causata dalla linea di base del segnale che varia nel tempo, si verifica al di sotto di 0,6 Hz e il rumore EMG, causato dalla presenza di rumore muscolare, si verifica a frequenze superiori a 100 Hz. Pertanto, questi numeri sono impostati come frequenze di taglio. Il filtro passa banda è costituito da un filtro passa basso seguito da un filtro passa alto. Tuttavia, entrambi i filtri hanno la stessa frequenza di taglio:

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

Usando 1uF come valore arbitrario del condensatore e 0,6 e 100 come frequenze di taglio, i valori del resistore sono stati calcolati per le parti appropriate del filtro. Il nodo Vin proviene dall'uscita del filtro notch e il nodo Vout è dove verrà misurata l'uscita simulata dell'intero sistema. In un sistema fisico, questa uscita si collegherebbe a un oscilloscopio o un dispositivo di visualizzazione simile per visualizzare le onde ECG in tempo reale.

Passaggio 4: testare l'amplificatore della strumentazione

Successivamente, l'amplificatore della strumentazione verrà testato per garantire che fornisca un guadagno di 1000. Per fare ciò, immettere un'onda sinusoidale con una frequenza e un'ampiezza arbitrarie. Questo esempio ha utilizzato un'ampiezza da picco a picco di 2 mV per rappresentare un'onda EMG e una frequenza di 1000 Hz. Simula l'amplificatore della strumentazione nel software di simulazione del circuito e traccia le forme d'onda di ingresso e uscita. Utilizzando una funzione cursore, registrare le grandezze di ingresso e uscita e calcolare il guadagno per Guadagno = Vout/Vin. Se questo guadagno è di circa 1000, questa fase funziona correttamente. Ulteriori analisi statistiche possono essere eseguite su questa fase prendendo in considerazione le tolleranze dei resistori e modificando i valori dei resistori di +5% e -5% per vedere come influenza l'onda di uscita e il successivo guadagno.

Passaggio 5: testare il filtro notch

Testare il filtro notch eseguendo uno sweep AC da un intervallo che contiene 60 Hz. In questo esempio, lo sweep è stato eseguito da 1 Hz a 200 Hz. Il grafico risultante, quando misurato nel nodo Vout, produrrà un grafico dell'amplificazione in dB rispetto alla frequenza in Hz. Il grafico dovrebbe iniziare e finire con un'amplificazione di 0 dB a frequenze lontane da 60 Hz in entrambe le direzioni e dovrebbe apparire un forte calo dell'amplificazione a 60 Hz o molto vicino. Ciò mostra che i segnali che si verificano a questa frequenza vengono correttamente rimossi dal segnale desiderato. Ulteriori analisi statistiche possono essere eseguite su questa fase prendendo in considerazione le tolleranze dei resistori e modificando i valori di resistori e condensatori di +5% e -5% per vedere come influenza la frequenza di taglio sperimentale (la frequenza che subisce la maggior attenuazione graficamente).

Passaggio 6: testare il filtro passabanda

Infine, testare il filtro passa-banda eseguendo un'altra analisi di scansione AC. Questa volta, lo sweep dovrebbe provenire da una frequenza inferiore a 0,6 e superiore a 100 per garantire che il passa-banda possa essere visto graficamente. Ancora una volta, esegui l'analisi misurando in corrispondenza del nodo Vout mostrato nello schema. L'uscita dovrebbe assomigliare alla figura sopra, dove l'amplificazione è negativa quanto più lontano dall'intervallo 0,6-100Hz. I punti in cui l'amplificazione è -3dB dovrebbero essere 0,6 e 100 Hz, o valori molto vicini a quelli rispettivamente del primo e del secondo punto. I punti -3dB indicano quando un segnale viene attenuato al punto in cui l'uscita a queste frequenze sarà la metà della potenza originale. Pertanto, i punti -3dB vengono utilizzati per analizzare l'attenuazione dei segnali per i filtri. Se i punti -3dB sul grafico in uscita corrispondono all'intervallo passa-banda, lo stage funziona correttamente.

Ulteriori analisi statistiche possono essere eseguite su questa fase prendendo in considerazione le tolleranze dei resistori e modificando i valori di resistori e condensatori di +5% e -5% per vedere come influisce su entrambe le frequenze di taglio sperimentali.

Passaggio 7: assemblare il sistema ECG completo

Infine, quando tutte e tre le fasi sono confermate per funzionare correttamente, posizionare tutte e tre le fasi dell'ECG insieme e il risultato finale è fatto. Un'onda ECG simulata può essere immessa nello stadio dell'amplificatore della strumentazione e l'onda emessa dovrebbe essere un'onda ECG amplificata.