Simulador de circuito de ECG automatizado: 4 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

Un electrocardiograma (ECG) es una técnica poderosa que se utiliza para medir la actividad eléctrica del corazón de un paciente. La forma única de estos potenciales eléctricos difiere según la ubicación de los electrodos de registro y se ha utilizado para detectar muchas condiciones. Con la detección temprana de una variedad de afecciones cardíacas, los médicos pueden brindar a sus pacientes una multitud de recomendaciones para abordar su situación. Esta máquina se compone de tres componentes principales: un amplificador de instrumentación seguido de un filtro de muesca y un filtro de paso de banda. El objetivo de estas partes es amplificar las señales entrantes, eliminar las señales no deseadas y transmitir todas las señales biológicas relevantes. El análisis del sistema resultante demostró que el electrocardiograma, como se esperaba, realiza las tareas deseadas para producir una señal de ECG utilizable, lo que demuestra su utilidad para detectar afecciones cardíacas.

Suministros:

• Software LTSpice
• Archivos de señales de ECG

Paso 1: Amplificador de instrumentación

El amplificador de instrumentación, a veces abreviado INA, se utiliza para amplificar las señales biológicas de bajo nivel que se observan en el paciente. Un INA típico consta de tres amplificadores operacionales (Op Amps). Dos amplificadores operacionales deben estar en la configuración no inversora y el último amplificador operacional en la configuración diferencial. Se utilizan siete resistencias junto con los amplificadores operacionales para permitirnos variar la ganancia cambiando el tamaño de los valores de las resistencias. De las resistencias, hay tres pares y un tamaño individual.

Para este proyecto, usaré una ganancia de 1000 para amplificar las señales. Luego elegiré valores arbitrarios de R2, R3 y R4 (es más fácil si R3 y R4 son equivalentes en tamaño porque se cancelarían a 1, allanando el camino para cálculos más fáciles). A partir de aquí, puedo resolver que R1 tenga todos los tamaños de componentes necesarios.

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

Usando la ecuación de ganancia anterior y los valores R2 = 50kΩ y R3 = R4 = 10kΩ, obtenemos R1 = 100Ω.

Para comprobar que la ganancia es de hecho 1000, podemos ejecutar el circuito con una función de barrido.ac y observar dónde se produce la meseta. En este caso, es de 60 dB. Al usar la siguiente ecuación, podemos convertir los dB en Vout / Vin adimensional, que termina siendo 1000, como se esperaba.

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

Paso 2: filtro de muesca

El siguiente componente que se diseñará es el filtro de muesca. El valor de los componentes de este filtro depende en gran medida de la frecuencia que desee marcar. Para este diseño, queremos eliminar la frecuencia de 60 Hz (fc) que libera la instrumentación médica.

Se utilizará un filtro de muesca doble en este diseño para garantizar que solo se elimine lo deseado y que no atenuaremos accidentalmente las frecuencias biológicas deseadas cerca de la marca de 60 Hz. Los valores de los componentes se encontraron seleccionando valores de resistencia arbitrarios, de los cuales elegí usar 2kΩ para el filtro de paso bajo (T superior) y 1kΩ para el filtro de paso alto (T inferior). Usando la siguiente ecuación, resolví los valores necesarios del condensador.

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

El diagrama de Bode se encontró una vez más usando la función de barrido.ac que ofrece LTSpice.

Paso 3: Filtro de paso de banda

El componente final del sistema de ECG automatizado es necesario para pasar las frecuencias biológicas, ya que eso es lo que nos interesa. La señal de ECG típica se produce entre 0,5 Hz y 150 Hz (fc), por lo que se podrían utilizar dos filtros; ya sea un filtro de paso de banda o un filtro de paso bajo. En este diseño, se usó un filtro de paso de banda, ya que es un poco más preciso que el de paso bajo, aunque todavía funcionaría ya que las frecuencias biológicas generalmente no tienen frecuencias altas de todos modos.

Un filtro de paso de banda contiene dos partes: un filtro de paso alto y un filtro de paso bajo. El filtro de paso alto viene antes del amplificador operacional y el de paso bajo está después. Recuerde que existe una variedad de diseños de filtros de paso de banda que se pueden utilizar.

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

Una vez más, se pueden elegir valores arbitrarios para encontrar los valores requeridos de otras partes. En el último filtro, elegí valores de resistencia arbitrarios y resolví los valores del condensador. Para demostrar que no importa con cuál empiece, ahora elegiré valores arbitrarios de condensadores para resolver los valores de resistencia. En este caso, elegí un valor de condensador de 1uF. Usando la ecuación anterior, uso una frecuencia de corte a la vez para resolver la resistencia respectiva. Para simplificar, usaré el mismo valor de condensador para las partes de paso alto y paso bajo del filtro de paso de banda. Se usará 0.5 Hz para resolver la resistencia de paso alto y la frecuencia de corte de 150 Hz se usará para encontrar la resistencia de paso bajo.

Una vez más, se puede usar un diagrama de Bode para ver si el diseño del circuito funcionó correctamente.

Paso 4: sistema completo

Una vez que se ha verificado que cada componente funciona por sí solo, las partes se pueden combinar en un sistema. Usando datos de ECG importados y la función PWL en el generador de fuente de voltaje, puede ejecutar simulaciones para asegurarse de que el sistema amplifica y transmite correctamente las frecuencias biológicas deseadas.

La captura de pantalla del gráfico superior es un ejemplo de cómo se ven los datos de salida usando una función.tran y la captura de pantalla del gráfico inferior es el gráfico de Bode respectivo usando la función.ac.

Se pueden descargar diferentes datos de ECG de entrada (se han agregado dos archivos de entrada de ECG diferentes a esta página) y llevarlos a la función para probar el sistema en diferentes pacientes modelados.