Simüle EKG Devresi: 7 Adım

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

Elektrokardiyogram, hem standart muayenelerde hem de ciddi hastalıkların teşhisinde kullanılan yaygın bir testtir. EKG olarak bilinen bu cihaz, kalp atışını düzenlemekten sorumlu vücuttaki elektrik sinyallerini ölçer. Test, deneğin cildine elektrotlar uygulanarak ve gösterilen bilinen EKG dalga biçimi şeklini alan çıktıyı gözlemleyerek uygulanır. Bu dalga formu, her biri fizyolojik bir yanıtı temsil eden bir P dalgası, QRS kompleksi ve T dalgası içerir. Bu kılavuz, bir devre simülasyon yazılımında bir EKG'yi simüle etme adımlarından geçecektir.

Gereçler:

LTSpice veya benzeri devre simülatörü

1. Adım: Bir Enstrümantasyon Amplifikatörü oluşturun

Enstrümantasyon amplifikatörünün amacı, genellikle yüksek düzeyde gürültü ile çevrili olan çok küçük bir sinyali yükseltmektir. Bir EMG'ye giriş sinyalinin voltajı tipik olarak 1 mV ila 5 mV arasındadır ve bu aşamanın amacı bu sinyali yaklaşık 1000 kazançla yükseltmektir. Şematikte gösterilen kazanç, aşağıdaki denklemle kontrol edilebilir. R1 = R2, R4 = R5 ve R6 = R7:

Kazanç = K1*K2, burada K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

Bu nedenle kazanç 1000'e eşit olarak ayarlanmıştır, bu nedenle K1 ve K2 yaklaşık olarak 31.6'dır. Kazanç denklemi 1000'e eşit olduğu sürece bazı dirençler isteğe bağlı olarak seçilebilir ve diğerleri hesaplanabilir. Fiziksel bir devrede elektrotlar işlemsel yükselteçlere gider, ancak simülasyon amacıyla biri topraklanır ve diğeri belirtmek için kullanılır. potansiyel fark. Vin düğümü daha sonra giriş dalgalarını simüle etmek için kullanılacaktır. Vout düğümü, EKG'nin bir sonraki aşamasına götürür. LTSpice kütüphanesinde bulunduğu, yüksek CMRR'ye sahip olduğu ve tıbbi enstrümantasyonda kullanıldığı için bir LTC1151 işlemsel yükselteç seçilmiştir. +15V ve -15V besleme gerilimine sahip herhangi bir temel işlemsel yükselteç bu sistemde çalışacaktır.

2. Adım: Bir Çentik Filtresi Oluşturun

EKG'deki bir sonraki aşama, 60 Hz frekansında meydana gelen güç hattı parazitini filtrelemek için bir çentik filtresidir. Çentik filtresi, tekil bir frekansa çok yakın olan küçük bir sinyal aralığını kaldırarak çalışır. Bu nedenle, 60 Hz'lik bir kesme frekansı ve kesme frekansı denklemi kullanılarak uygun dirençler ve kapasitörler seçilebilir. Yukarıdaki şemayı kullanarak ve C = C1 = C2, C3 = 2*C1, R = R10 ve R8 = R9 = 2*R10 olduğuna dikkat ederek, kapasitör değerleri keyfi olarak seçilebilir (Örnek, seçilen 1uF kapasitör gösterir). Aşağıdaki denklem kullanılarak uygun direnç değerleri bu aşamada hesaplanabilir ve kullanılabilir:

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

Vin düğümü, enstrümantasyon amplifikatörünün çıktısıdır ve Vout düğümü bir sonraki aşamaya götürür.

3. Adım: Bir Bant Geçiren Filtre Oluşturun

Sistemin son aşaması, belirli bir frekans aralığının üzerindeki ve altındaki gürültüyü gidermek için aktif bir bant geçiren filtreden oluşur. Sinyalin zamanla değişen taban çizgisinden kaynaklanan taban çizgisi kayması 0,6 Hz'nin altında, kas gürültüsünün neden olduğu EMG gürültüsü ise 100 Hz'in üzerindeki frekanslarda meydana gelir. Bu nedenle, bu sayılar kesim frekansları olarak belirlenmiştir. Bant geçiren filtre, alçak geçiren bir filtre ve ardından yüksek geçiren bir filtreden oluşur. Ancak, her iki filtre de aynı kesme frekansına sahiptir:

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

İsteğe bağlı kapasitör değeri olarak 1uF ve kesme frekansları olarak 0.6 ve 100 kullanılarak, filtrenin uygun kısımları için direnç değerleri hesaplanmıştır. Vin düğümü, çentik filtresinin çıkışından gelir ve Vout düğümü, tam sistemin benzetilmiş çıktısının ölçüleceği yerdir. Fiziksel bir sistemde, bu çıkış, EKG dalgalarını gerçek zamanlı olarak görüntülemek için bir osiloskopa veya benzer bir görüntüleme cihazına bağlanır.

4. Adım: Enstrümantasyon Amplifikatörünü Test Edin

Daha sonra, enstrümantasyon amplifikatörü 1000 kazanç sağladığından emin olmak için test edilecektir. Bunu yapmak için, keyfi bir frekans ve genlikte sinüzoidal bir dalga girin. Bu örnekte, bir EMG dalgasını ve 1000 Hz'lik bir frekansı temsil etmek için 2mV tepeden tepeye genlik kullanılmıştır. Devre simülasyon yazılımında enstrümantasyon amplifikatörünü simüle edin ve giriş ve çıkış dalga formlarını çizin. Bir imleç işlevi kullanarak, giriş ve çıkış büyüklüklerini kaydedin ve Kazanç = Vout/Vin ile kazancı hesaplayın. Bu kazanç yaklaşık 1000 ise bu aşama düzgün çalışıyor demektir. Bu aşamada, çıkış dalgasını ve sonraki kazancı nasıl etkilediğini görmek için direnç toleransları dikkate alınarak ve direnç değerleri +%5 ve -%5 oranında değiştirilerek ek istatistiksel analiz yapılabilir.

Adım 5: Çentik Filtresini Test Edin

60 Hz içeren bir aralıktan bir AC taraması gerçekleştirerek çentik filtresini test edin. Bu örnekte, tarama 1 Hz'den 200 Hz'e kadar yürütülmüştür. Ortaya çıkan grafik, Vout düğümünde ölçüldüğünde, Hz cinsinden frekansa karşı dB cinsinden bir amplifikasyon grafiği verir. Grafik, her iki yönde 60 Hz'den uzak frekanslarda 0 dB'lik bir amplifikasyonla başlamalı ve bitmeli ve amplifikasyonda büyük bir düşüş 60 Hz'de veya buna çok yakın görünmelidir. Bu, bu frekansta oluşan sinyallerin istenilen sinyalden düzgün bir şekilde çıkarıldığını gösterir. Bu aşamada, direnç toleransları dikkate alınarak ve direnç ve kapasitör değerleri +%5 ve -%5 oranında değiştirilerek deneysel kesme frekansını (grafik olarak en fazla zayıflama yaşayan frekans) nasıl etkilediğini görmek için ek istatistiksel analizler yapılabilir.

Adım 6: Bant Geçiren Filtreyi Test Edin

Son olarak, başka bir AC süpürme analizi gerçekleştirerek bant geçiren filtreyi test edin. Bu sefer, bant geçişinin grafiksel olarak görülebilmesini sağlamak için tarama 0,6'dan küçük ve 100'den büyük bir frekanstan olmalıdır. Bir kez daha, şemada gösterilen Vout düğümünde ölçüm yaparak analizi çalıştırın. Çıktı, amplifikasyonun 0,6-100 Hz aralığından uzaklaştıkça negatif olduğu yukarıdaki şekle benzemelidir. Amplifikasyonun -3dB olduğu noktalar sırasıyla 0,6 ve 100 Hz veya birinci ve ikinci noktalara çok yakın değerler olmalıdır. -3dB noktaları, bir sinyalin, bu frekanslardaki çıkışın orijinal gücün yarısı olacağı noktaya kadar zayıflatıldığını belirtir. Bu nedenle, filtreler için sinyallerin zayıflamasını analiz etmek için -3dB noktaları kullanılır. Çıkış grafiğindeki -3dB noktaları bant geçiş aralığıyla eşleşiyorsa, sahne düzgün çalışıyordur.

Her iki deneysel kesme frekansını nasıl etkilediğini görmek için direnç toleransları dikkate alınarak ve direnç ve kapasitör değerlerini +%5 ve -%5 oranında değiştirerek bu aşamada ek istatistiksel analizler yapılabilir.

7. Adım: Tam EKG Sistemini Bir Araya Getirin

Son olarak, üç aşamanın da düzgün çalıştığı onaylandığında, EKG'nin üç aşamasını da bir araya getirin ve nihai sonuç yapılır. Enstrümantasyon amplifikatör aşamasına simüle edilmiş bir EKG dalgası girilebilir ve çıkan dalga, güçlendirilmiş bir EKG dalgası olmalıdır.