Circuito de ECG simulado: 7 pasos

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

Un electrocardiograma es una prueba común que se usa tanto en exámenes estándar como en diagnósticos de enfermedades graves. Este dispositivo, conocido como ECG, mide las señales eléctricas dentro del cuerpo responsables de regular los latidos del corazón. La prueba se administra aplicando electrodos a la piel del sujeto y observando la salida, que toma la forma de onda de ECG conocida que se muestra. Esta forma de onda contiene una onda P, un complejo QRS y una onda T, cada una de las cuales representa una respuesta fisiológica. Esta guía recorrerá los pasos para la simulación de un ECG en un software de simulación de circuitos.

Suministros:

LTSpice o simulador de circuito similar

Paso 1: construya un amplificador de instrumentación

El propósito de un amplificador de instrumentación es amplificar una señal muy pequeña que a menudo está rodeada de altos niveles de ruido. El voltaje de la señal de entrada en un EMG suele estar entre 1 mV y 5 mV y el propósito de esta etapa es amplificar esa señal con una ganancia de aproximadamente 1000. Como se muestra en el esquema, la ganancia se puede controlar mediante la siguiente ecuación donde R1 = R2, R4 = R5 y R6 = R7:

Ganancia = K1 * K2, donde K1 = K2

K1 = 1 + (2R1 / R3)

K2 = -R6 / R4

Por lo tanto, la ganancia se estableció en 1000, por lo que K1 y K2 son aproximadamente 31,6. Algunas resistencias pueden elegirse arbitrariamente y otras calcularse, siempre que la ecuación de ganancia sea igual a 1000. En un circuito físico, los electrodos irían a los amplificadores operacionales, pero para fines de simulación, uno está conectado a tierra y el otro se usa para significar la diferencia de potencial. El nodo Vin se utilizará para simular posteriormente ondas de entrada. El nodo Vout conduce a la siguiente etapa del ECG. Se eligió un amplificador operacional LTC1151 ya que está ubicado en la biblioteca LTSpice, tiene un CMRR alto y se ha utilizado en instrumentación médica. Cualquier amplificador operacional básico con voltaje de suministro de + 15V y -15V funcionaría en este sistema.

Paso 2: construya un filtro de muesca

La siguiente etapa en el ECG es un filtro de muesca para filtrar la interferencia de la línea eléctrica que se produce a una frecuencia de 60 Hz. Un filtro de muesca funciona eliminando un pequeño rango de señales que ocurren muy cerca de una frecuencia singular. Por lo tanto, utilizando una frecuencia de corte de 60 Hz y la ecuación de frecuencia de corte, se pueden elegir resistencias y condensadores apropiados. Usando el esquema anterior y teniendo en cuenta que C = C1 = C2, C3 = 2 * C1, R = R10 y R8 = R9 = 2 * R10, los valores del condensador se pueden elegir arbitrariamente (el ejemplo muestra un condensador de 1uF elegido). Usando la siguiente ecuación, se pueden calcular y usar valores de resistencia apropiados en esta etapa:

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

El nodo Vin es la salida del amplificador de instrumentación y el nodo Vout conduce a la siguiente etapa.

Paso 3: construye un filtro de paso de banda

La última etapa del sistema consiste en un filtro de paso de banda activo para eliminar el ruido por encima y por debajo de un cierto rango de frecuencias. La desviación de la línea de base, causada por la línea de base de la señal que varía con el tiempo, ocurre por debajo de 0,6 Hz y el ruido EMG, causado por la presencia de ruido muscular, ocurre en frecuencias superiores a 100 Hz. Por lo tanto, estos números se establecen como frecuencias de corte. El filtro de paso de banda consta de un filtro de paso bajo seguido de un filtro de paso alto. Sin embargo, ambos filtros tienen la misma frecuencia de corte:

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

Utilizando 1uF como valor de condensador arbitrario y 0,6 y 100 como frecuencias de corte, se calcularon los valores de resistencia para las porciones apropiadas del filtro. El nodo Vin proviene de la salida del filtro de muesca y el nodo Vout es donde se medirá la salida simulada del sistema completo. En un sistema físico, esta salida se conectaría a un osciloscopio o dispositivo de visualización similar para ver las ondas de ECG en tiempo real.

Paso 4: Pruebe el amplificador de instrumentación

A continuación, se probará el amplificador de instrumentación para garantizar que proporcione una ganancia de 1000. Para ello, introduzca una onda sinusoidal a una frecuencia y amplitud arbitrarias. Este ejemplo utilizó una amplitud pico a pico de 2 mV para representar una onda EMG y una frecuencia de 1000 Hz. Simule el amplificador de instrumentación en el software de simulación de circuitos y trace las formas de onda de entrada y salida. Usando una función de cursor, registre las magnitudes de entrada y salida, y calcule la ganancia por Gain = Vout / Vin. Si esta ganancia es de aproximadamente 1000, esta etapa está funcionando correctamente. Se puede realizar un análisis estadístico adicional en esta etapa teniendo en cuenta las tolerancias de la resistencia y modificando los valores de la resistencia en + 5% y -5% para ver cómo afecta la onda de salida y la ganancia posterior.

Paso 5: pruebe el filtro de muesca

Pruebe el filtro de muesca realizando un barrido de CA desde un rango que contenga 60 Hz. En este ejemplo, el barrido se corrió de 1 Hz a 200 Hz. El gráfico resultante, cuando se mide en el nodo Vout, generará un gráfico de amplificación en dB frente a frecuencia en Hz. El gráfico debe comenzar y terminar con una amplificación de 0 dB a frecuencias alejadas de 60 Hz en ambas direcciones y debe aparecer una gran caída en la amplificación en o muy cerca de 60 Hz. Esto muestra que las señales que ocurren en esta frecuencia se eliminan correctamente de la señal deseada. Se puede realizar un análisis estadístico adicional en esta etapa teniendo en cuenta las tolerancias de la resistencia y modificando los valores de la resistencia y el condensador en + 5% y -5% para ver cómo afecta la frecuencia de corte experimental (la frecuencia que experimenta la mayor atenuación gráficamente).

Paso 6: prueba el filtro de paso de banda

Por último, pruebe el filtro de paso de banda realizando otro análisis de barrido de CA. Esta vez, el barrido debe ser de una frecuencia menor que 0.6 y mayor que 100 para asegurar que el paso de banda se pueda ver gráficamente. Una vez más, ejecute el análisis midiendo en el nodo Vout que se muestra en el esquema. La salida debe parecerse a la figura anterior, donde la amplificación es negativa cuanto más se aleja del rango de 0.6-100Hz. Los puntos en los que la amplificación es -3dB deben ser 0,6 y 100 Hz, o valores muy cercanos a los del primer y segundo punto, respectivamente. Los puntos de -3dB significan cuando una señal se atenúa hasta el punto en que la salida en estas frecuencias será la mitad de la potencia original. Por lo tanto, los puntos de -3dB se utilizan para analizar la atenuación de señales para filtros. Si los puntos de -3dB en el gráfico de salida coinciden con el rango de paso de banda, la etapa está funcionando correctamente.

Se puede realizar un análisis estadístico adicional en esta etapa teniendo en cuenta las tolerancias de la resistencia y modificando los valores de la resistencia y el condensador en + 5% y -5% para ver cómo afecta ambas frecuencias de corte experimentales.

Paso 7: armar el sistema de ECG completo

Finalmente, cuando se confirme que las tres etapas funcionan correctamente, coloque las tres etapas del ECG juntas y se obtendrá el resultado final. Se puede introducir una onda de ECG simulada en la etapa del amplificador de instrumentación y la onda de salida debe ser una onda de ECG amplificada.