Otomatik EKG Devre Simülatörü: 4 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:16

Elektrokardiyogram (EKG), hastanın kalbinin elektriksel aktivitesini ölçmek için kullanılan güçlü bir tekniktir. Bu elektrik potansiyellerinin benzersiz şekli, kayıt elektrotlarının konumuna bağlı olarak farklılık gösterir ve birçok koşulu tespit etmek için kullanılmıştır. Çeşitli kalp rahatsızlıklarının erken tespiti ile doktorlar, hastalarına durumlarına yönelik çok sayıda tavsiyede bulunabilir. Bu makine üç ana bileşenden oluşur: bir enstrümantasyon amplifikatörü, ardından bir çentik filtresi ve bir bant geçiren filtre. Bu parçaların amacı, gelen sinyalleri yükseltmek, istenmeyen sinyalleri ortadan kaldırmak ve ilgili tüm biyolojik sinyalleri iletmektir. Ortaya çıkan sistemin analizi, beklendiği gibi elektrokardiyogramın, kullanılabilir bir EKG sinyali üretmek için istenen görevleri yerine getirdiğini ve kalp rahatsızlıklarını tespit etmedeki yararlılığını kanıtladığını kanıtladı.

Gereçler:

• LTSpice Yazılımı
• EKG sinyal dosyaları

Adım 1: Enstrümantasyon Amplifikatörü

Bazen INA olarak kısaltılan enstrümantasyon amplifikatörü, hastadan gözlemlenen düşük seviyeli biyolojik sinyalleri yükseltmek için kullanılır. Tipik bir INA, üç işlemsel yükselteçten (Op Amper) oluşur. İki Op Amp, evirmeyen konfigürasyonda ve son Op Amp, diferansiyel konfigürasyonda olmalıdır. Direnç değeri boyutlarını değiştirerek kazancı değiştirmemize izin vermek için Op Amp'lerin yanında yedi direnç kullanılır. Dirençlerden üç çift ve bir bireysel boyut vardır.

Bu proje için sinyalleri yükseltmek için 1000 kazanç kullanacağım. Daha sonra isteğe bağlı R2, R3 ve R4 değerlerini seçeceğim (R3 ve R4'ün boyut olarak eşdeğer olması en kolayıdır çünkü bunlar 1'e iptal olur, daha kolay hesaplamalar için yol açar). Buradan, R1'in gerekli tüm bileşen boyutlarına sahip olmasını çözebilirim.

Kazanç = (1 + 2R2/R1) * (R4/R3)

Yukarıdaki kazanç denklemini ve R2 = 50kΩ ve R3 = R4 = 10kΩ değerlerini kullanarak R1 = 100Ω elde ederiz.

Kazancın aslında 1000 olduğunu kontrol etmek için devreyi bir.ac süpürme işleviyle çalıştırabilir ve platonun nerede oluştuğunu gözlemleyebiliriz. Bu durumda, 60 dB'dir. Aşağıdaki denklemi kullanarak, dB'yi beklendiği gibi 1000 olan boyutsuz Vout/Vin'e dönüştürebiliriz.

Kazanç, dB = 20*log(Vout/Vin)

2. Adım: Çentik Filtresi

Tasarlanacak bir sonraki bileşen, çentik filtresidir. Bu filtrenin bileşenlerinin değeri, büyük ölçüde, hangi frekansta çentik atmak istediğinize bağlıdır. Bu tasarım için tıbbi enstrümantasyon tarafından serbest bırakılan 60 Hz frekansı (fc) kesmek istiyoruz.

Bu tasarımda, sadece istenenlerin kesileceğini ve istenen biyolojik frekansları 60 Hz işaretine yakın bir yerde yanlışlıkla zayıflatmayacağımızı sağlamak için bir çift t çentik filtresi kullanılacaktır. Bileşen değerleri, düşük geçiş filtresi (üst T) için 2kΩ ve yüksek geçiş filtresi (alt T) için 1kΩ kullanmayı seçtiğim isteğe bağlı direnç değerleri seçilerek bulundu. Aşağıdaki denklemi kullanarak gerekli kapasitör değerlerini çözdüm.

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

Bode grafiği, LTSpice'in sunduğu.ac süpürme işlevi kullanılarak bir kez daha bulundu.

3. Adım: Bant Geçiş Filtresi

Otomatik EKG sisteminin son bileşeni, biyolojik frekansları geçmek için gereklidir, çünkü ilgilendiğimiz şey budur. Tipik EKG sinyali 0,5 Hz ile 150 Hz (fc) arasında gerçekleşir, bu nedenle iki filtre kullanılabilir; bant geçiren filtre veya alçak geçiren filtre. Bu tasarımda, düşük geçişten biraz daha hassas olduğu için bir bant geçiren filtre kullanıldı, ancak biyolojik frekanslar genellikle yüksek frekanslara sahip olmadığından bu filtre yine de işe yarayacaktır.

Bir bant geçiren filtre iki bölümden oluşur: yüksek geçiren filtre ve alçak geçiren filtre. Yüksek geçiş filtresi Op Amp'den önce gelir ve düşük geçiş sonra gelir. Kullanılabilecek çeşitli bant geçiren filtre tasarımları olduğunu unutmayın.

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

Bir kez daha, diğer parçaların gerekli değerlerini bulmak için keyfi değerler seçilir. Son filtrede isteğe bağlı direnç değerleri seçtim ve kapasitör değerleri için çözdüm. Hangisiyle başladığınızın önemli olmadığını göstermek için, şimdi direnç değerlerini çözmek için isteğe bağlı kapasitör değerleri seçeceğim. Bu durumda 1uF'lik bir kapasitör değeri seçtim. Yukarıdaki denklemi kullanarak, ilgili direnci çözmek için her seferinde bir kesme frekansı kullanıyorum. Basit olması için, bant geçiren filtrenin hem yüksek geçiren hem de alçak geçiren kısımları için aynı kapasitör değerini kullanacağım. 0,5 Hz, yüksek geçiş direncini çözmek için kullanılacak ve düşük geçiş direncini bulmak için 150 Hz kesme frekansı kullanılacaktır.

Devre tasarımının uygun şekilde çalışıp çalışmadığını görmek için bir Bode grafiği bir kez daha kullanılabilir.

Adım 4: Tam Sistem

Her bileşenin kendi başına çalıştığı doğrulandıktan sonra, parçalar tek bir sistemde birleştirilebilir. Gerilim kaynağı üretecindeki içe aktarılan EKG verilerini ve PWL işlevini kullanarak, sistemin uygun şekilde yükseltilmesini ve istenen biyolojik frekansları geçmesini sağlamak için simülasyonlar çalıştırabilirsiniz.

Üst çizim ekran görüntüsü, bir.tran işlevi kullanılarak çıktı verilerinin nasıl göründüğüne bir örnektir ve alt çizim ekran görüntüsü,.ac işlevini kullanan ilgili bode grafiğidir.

Farklı giriş EKG verileri indirilebilir (bu sayfaya iki farklı EKG giriş dosyası eklenmiştir) ve sistemi farklı modellenmiş hastalarda test etmek için işleve getirilebilir.