Simulateur de circuit ECG automatisé : 4 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

Un électrocardiogramme (ECG) est une technique puissante utilisée pour mesurer l'activité électrique du cœur d'un patient. La forme unique de ces potentiels électriques diffère selon l'emplacement des électrodes d'enregistrement et a été utilisée pour détecter de nombreuses conditions. Grâce à la détection précoce d'une variété de maladies cardiaques, les médecins peuvent fournir à leurs patients une multitude de recommandations adaptées à leur situation. Cette machine est composée de trois composants principaux: un amplificateur d'instrumentation suivi d'un filtre coupe-bande et d'un filtre passe-bande. Le but de ces parties est d'amplifier les signaux entrants, de supprimer les signaux indésirables et de transmettre tous les signaux biologiques pertinents. L'analyse du système résultant a prouvé que l'électrocardiogramme, comme prévu, accomplit ses tâches souhaitées pour produire un signal ECG utilisable, démontrant son utilité pour détecter les maladies cardiaques.

Fournitures:

• Logiciel LTSpice
• Fichiers de signaux ECG

Étape 1: Amplificateur d'instrumentation

L'amplificateur d'instrumentation, parfois abrégé INA, est utilisé pour amplifier les signaux biologiques de faible niveau observés chez le patient. Un INA typique se compose de trois amplificateurs opérationnels (Op Amps). Deux amplis op doivent être dans la configuration non inverseuse et le dernier ampli op dans la configuration différentielle. Sept résistances sont utilisées aux côtés des amplificateurs opérationnels pour nous permettre de faire varier le gain en modifiant la taille des valeurs de résistance. Parmi les résistances, il y a trois paires et une taille individuelle.

Pour ce projet, j'utiliserai un gain de 1000 pour amplifier les signaux. Je choisirai ensuite des valeurs arbitraires R2, R3 et R4 (il est plus facile si R3 et R4 sont de taille équivalente car ils s'annuleraient à 1, ouvrant la voie à des calculs plus faciles). À partir de là, je peux résoudre R1 pour avoir toutes les tailles de composants nécessaires.

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

En utilisant l'équation de gain ci-dessus et les valeurs R2 = 50kΩ et R3 = R4 = 10kΩ, nous obtenons R1 = 100Ω.

Pour vérifier que le gain est bien de 1000, nous pouvons exécuter le circuit avec une fonction de balayage.ac et observer où se produit le plateau. Dans ce cas, il est de 60 dB. En utilisant l'équation ci-dessous, nous pouvons convertir le dB en Vout/Vin sans dimension, qui finit par être 1000, comme prévu.

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

Étape 2: Filtre coupe-bande

Le prochain composant à concevoir est le filtre coupe-bande. La valeur des composants pour ce filtre dépend en grande partie de la fréquence que vous souhaitez supprimer. Pour cette conception, nous voulons supprimer la fréquence de 60 Hz (fc) qui est libérée par l'instrumentation médicale.

Un filtre coupe-bande à double t doit être utilisé dans cette conception pour garantir que seul le filtre souhaité sera coupé et que nous n'atténuerons pas accidentellement les fréquences biologiques souhaitées près de la barre des 60 Hz. Les valeurs des composants ont été trouvées en sélectionnant des valeurs de résistance arbitraires, parmi lesquelles j'ai choisi d'utiliser 2kΩ pour le filtre passe-bas (T supérieur) et 1kΩ pour le filtre passe-haut (T inférieur). En utilisant l'équation ci-dessous, j'ai résolu les valeurs de condensateur nécessaires.

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

Le tracé de Bode a été retrouvé à l'aide de la fonction de balayage.ac proposée par LTSpice.

Étape 3: Filtre passe-bande

Le dernier composant du système ECG automatisé est nécessaire pour transmettre les fréquences biologiques, car c'est ce qui nous intéresse. Le signal ECG typique se produit entre 0,5 Hz et 150 Hz (fc), par conséquent, deux filtres peuvent être utilisés; soit un filtre passe-bande, soit un filtre passe-bas. Dans cette conception, un filtre passe-bande a été utilisé car il est un peu plus précis que le passe-bas, bien que celui-ci fonctionnerait toujours car les fréquences biologiques n'ont généralement pas de hautes fréquences de toute façon.

Un filtre passe-bande contient deux parties: un filtre passe-haut et un filtre passe-bas. Le filtre passe-haut vient avant l'ampli op et le passe-bas est après. N'oubliez pas qu'il existe une variété de conceptions de filtres passe-bande qui peuvent être utilisées.

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

Encore une fois, des valeurs arbitraires peuvent être choisies pour trouver les valeurs requises des autres pièces. Dans le dernier filtre, j'ai choisi des valeurs de résistance arbitraires et résolu pour les valeurs de condensateur. Pour démontrer que peu importe par lequel vous commencez, je vais maintenant choisir des valeurs de condensateur arbitraires à résoudre pour les valeurs de résistance. Dans ce cas, j'ai choisi une valeur de condensateur de 1uF. En utilisant l'équation ci-dessus, j'utilise une fréquence de coupure à la fois pour résoudre la résistance respective. Pour plus de simplicité, j'utiliserai la même valeur de condensateur pour les parties passe-haut et passe-bas du filtre passe-bande. Le 0,5 Hz sera utilisé pour résoudre la résistance passe-haut et la fréquence de coupure de 150 Hz est utilisée pour trouver la résistance passe-bas.

Un tracé de Bode peut à nouveau être utilisé pour voir si la conception du circuit a fonctionné correctement.

Étape 4: Système complet

Une fois que chaque composant a été vérifié pour fonctionner seul, les pièces peuvent être combinées en un seul système. En utilisant les données ECG importées et la fonction PWL dans le générateur de source de tension, vous pouvez exécuter des simulations pour vous assurer que le système amplifie et transmet correctement les fréquences biologiques souhaitées.

La capture d'écran du tracé supérieur est un exemple de ce à quoi ressemblent les données de sortie à l'aide d'une fonction.tran et la capture d'écran du tracé inférieur est le tracé de bode respectif à l'aide de la fonction.ac.

Différentes données d'entrée ECG peuvent être téléchargées (deux fichiers d'entrée ECG différents ont été ajoutés à cette page) et importées dans la fonction pour tester le système sur différents patients modélisés.