Circuit ECG simulé : 7 étapes

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

Un électrocardiogramme est un test couramment utilisé dans les examens standard et les diagnostics de maladies graves. Cet appareil, connu sous le nom d'ECG, mesure les signaux électriques dans le corps responsables de la régulation du rythme cardiaque. Le test est administré en appliquant des électrodes sur la peau du sujet et en observant la sortie, qui prend la forme de la forme d'onde ECG connue illustrée. Cette forme d'onde contient une onde P, un complexe QRS et une onde T qui représentent chacune une réponse physiologique. Ce guide passera en revue les étapes de simulation d'un ECG dans un logiciel de simulation de circuit.

Fournitures:

LTSpice ou simulateur de circuit similaire

Étape 1: Construire un amplificateur d'instrumentation

Le but d'un amplificateur d'instrumentation est d'amplifier un très petit signal qui est souvent entouré de niveaux de bruit élevés. La tension du signal d'entrée dans un EMG est généralement comprise entre 1 mV et 5 mV et le but de cette étape est d'amplifier ce signal avec un gain d'environ 1000. Montré dans le schéma, le gain peut être contrôlé par l'équation suivante où R1 = R2, R4 = R5 et R6 = R7:

Gain = K1*K2, où K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

Le gain a donc été fixé à 1000, donc K1 et K2 sont d'environ 31,6. Certaines résistances peuvent être choisies arbitrairement et d'autres calculées, tant que l'équation de gain est satisfaite pour être égale à 1000. Dans un circuit physique, les électrodes entreraient dans les amplificateurs opérationnels, mais à des fins de simulation, l'une est mise à la terre et l'autre est utilisée pour signifier la différence de potentiel. Le nœud Vin sera utilisé pour simuler plus tard les ondes d'entrée. Le nœud Vout mène à l'étape suivante de l'ECG. Un amplificateur opérationnel LTC1151 a été choisi car il est situé dans la bibliothèque LTSpice, a un CMRR élevé et a été utilisé dans l'instrumentation médicale. Tout amplificateur opérationnel de base avec une tension d'alimentation de +15V et -15V fonctionnerait dans ce système.

Étape 2: Construire un filtre coupe-bande

L'étape suivante de l'ECG est un filtre coupe-bande pour filtrer les interférences de la ligne électrique qui se produisent à une fréquence de 60 Hz. Un filtre coupe-bande fonctionne en supprimant une petite plage de signaux qui se produisent très près d'une fréquence singulière. Par conséquent, en utilisant une fréquence de coupure de 60 Hz et l'équation de fréquence de coupure, des résistances et des condensateurs appropriés peuvent être choisis. En utilisant le schéma ci-dessus et en notant que C = C1 = C2, C3 = 2 * C1, R = R10 et R8 = R9 = 2 * R10, les valeurs de condensateur peuvent être choisies arbitrairement (l'exemple montre un condensateur 1uF choisi). À l'aide de l'équation suivante, les valeurs de résistance appropriées peuvent être calculées et utilisées à cette étape:

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

Le nœud Vin est la sortie de l'amplificateur d'instrumentation et le nœud Vout mène à l'étage suivant.

Étape 3: Construire un filtre passe-bande

Le dernier étage du système consiste en un filtre passe-bande actif pour éliminer le bruit au-dessus et au-dessous d'une certaine plage de fréquences. La dérive de la ligne de base, causée par la variation de la ligne de base du signal dans le temps, se produit en dessous de 0,6 Hz et le bruit EMG, causé par la présence de bruit musculaire, se produit à des fréquences supérieures à 100 Hz. Par conséquent, ces nombres sont définis comme les fréquences de coupure. Le filtre passe-bande se compose d'un filtre passe-bas suivi d'un filtre passe-haut. Cependant, les deux filtres ont la même fréquence de coupure:

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

En utilisant 1uF comme valeur de condensateur arbitraire et 0,6 et 100 comme fréquences de coupure, les valeurs de résistance ont été calculées pour les parties appropriées du filtre. Le nœud Vin provient de la sortie du filtre coupe-bande et le nœud Vout est l'endroit où la sortie simulée du système complet sera mesurée. Dans un système physique, cette sortie se connecterait à un oscilloscope ou à un dispositif d'affichage similaire pour visualiser les ondes ECG en temps réel.

Étape 4: Testez l'amplificateur d'instrumentation

Ensuite, l'amplificateur d'instrumentation sera testé pour s'assurer qu'il fournit un gain de 1000. Pour ce faire, entrez une onde sinusoïdale à une fréquence et une amplitude arbitraires. Cet exemple a utilisé une amplitude crête à crête de 2 mV pour représenter une onde EMG et une fréquence de 1000 Hz. Simulez l'amplificateur d'instrumentation dans le logiciel de simulation de circuit et tracez les formes d'onde d'entrée et de sortie. À l'aide d'une fonction de curseur, enregistrez les amplitudes d'entrée et de sortie et calculez le gain par Gain = Vout/Vin. Si ce gain est d'environ 1000, cette étape fonctionne correctement. Une analyse statistique supplémentaire peut être effectuée sur cette étape en prenant en compte les tolérances de résistance et en modifiant les valeurs de résistance de +5% et -5% pour voir comment cela affecte l'onde de sortie et le gain ultérieur.

Étape 5: Testez le filtre coupe-bande

Testez le filtre coupe-bande en effectuant un balayage CA à partir d'une plage contenant 60 Hz. Dans cet exemple, le balayage a été exécuté de 1 Hz à 200 Hz. Le tracé résultant, lorsqu'il est mesuré au nœud Vout, produira un graphique de l'amplification en dB par rapport à la fréquence en Hz. Le graphique doit commencer et se terminer à une amplification de 0 dB à des fréquences éloignées de 60 Hz dans les deux sens et une forte baisse d'amplification doit apparaître à 60 Hz ou très proche. Cela montre que les signaux qui se produisent à cette fréquence sont correctement supprimés du signal souhaité. Une analyse statistique supplémentaire peut être effectuée sur cette étape en prenant en considération les tolérances de résistance et en modifiant les valeurs de résistance et de condensateur de +5% et -5% pour voir comment cela affecte la fréquence de coupure expérimentale (la fréquence qui subit le plus d'atténuation graphiquement).

Étape 6: Testez le filtre passe-bande

Enfin, testez le filtre passe-bande en effectuant une autre analyse de balayage CA. Cette fois, le balayage doit provenir d'une fréquence inférieure à 0,6 et supérieure à 100 pour garantir que la bande passante peut être vue graphiquement. Encore une fois, exécutez l'analyse en mesurant au nœud Vout indiqué dans le schéma. La sortie devrait ressembler à la figure ci-dessus où l'amplification est négative plus loin de la plage 0,6-100 Hz. Les points auxquels l'amplification est de -3dB devraient être de 0,6 et 100 Hz, ou des valeurs très proches de celles des premier et deuxième points, respectivement. Les points -3dB signifient qu'un signal est atténué au point où la sortie à ces fréquences sera la moitié de la puissance d'origine. Par conséquent, les points -3dB sont utilisés pour analyser l'atténuation des signaux pour les filtres. Si les points -3dB sur le graphique généré correspondent à la plage de bande passante, l'étage fonctionne correctement.

Une analyse statistique supplémentaire peut être effectuée sur cette étape en prenant en considération les tolérances de résistance et en modifiant les valeurs de résistance et de condensateur de +5% et -5% pour voir comment cela affecte les deux fréquences de coupure expérimentales.

Étape 7: assembler le système ECG complet

Enfin, lorsqu'il est confirmé que les trois étapes fonctionnent correctement, placez les trois étapes de l'ECG ensemble et le résultat final est obtenu. Une onde ECG simulée peut être entrée dans l'étage amplificateur d'instrumentation et l'onde émise doit être une onde ECG amplifiée.