Modeliranje EKG signala u LTspice: 7 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:32

EKG je vrlo česta metoda za mjerenje električnih signala koji se javljaju u srcu. Opća ideja ovog postupka je pronaći srčane probleme, poput aritmija, koronarne bolesti ili srčanog udara. To može biti potrebno ako pacijent osjeća simptome poput boli u prsima, otežano disanje ili neravnomjeran rad srca koji se naziva lupanje srca, ali se također može koristiti za osiguravanje ispravnog rada srčanih stimulatora i drugih implantabilnih uređaja. Podaci Svjetske zdravstvene organizacije pokazuju da su kardiovaskularne bolesti najveći globalni uzrok smrti; ove bolesti godišnje ubiju približno 18 milijuna ljudi. Stoga su uređaji koji mogu pratiti ili otkriti ove bolesti nevjerojatno važni, zbog čega je razvijen EKG. EKG je potpuno neinvazivan medicinski test koji ne predstavlja nikakav rizik za pacijenta, osim neke manje nelagode pri uklanjanju elektroda.

Potpuni uređaj opisan u ovom uputstvu sastojat će se od nekoliko komponenti za manipulaciju bučnim EKG signalom kako bi se mogli postići optimalni rezultati. Snimanje EKG -a događa se pri tipično niskim naponima, pa bi se ti signali trebali pojačati prije nego što dođe do analize, u ovom slučaju s instrumentalnim pojačalom. Također, šum je vrlo izražen u snimkama EKG -a, pa se za čišćenje ovih signala mora dogoditi filtriranje. Ove smetnje mogu doći s različitih mjesta, pa je potrebno poduzeti različite pristupe za uklanjanje specifičnih zvukova. Fiziološki signali javljaju se samo u tipičnom rasponu, pa se pojasni filter koristi za uklanjanje bilo koje frekvencije izvan tog raspona. Uobičajena buka u EKG signalu naziva se smetnjama na dalekovodu, koja se javlja pri približno 60 Hz i uklanja se filterom s usjekom. Ove tri komponente rade istodobno na čišćenju EKG signala i omogućuju lakše tumačenje i dijagnozu, a bit će modelirane u LTspiceu kako bi se provjerila njihova učinkovitost.

Korak 1: Izrada instrumentalnog pojačala (INA)

Prva komponenta punog uređaja bilo je instrumentalno pojačalo (INA), koje može mjeriti male signale koji se nalaze u bučnim okruženjima. U ovom slučaju napravljena je INA s visokim dobitkom (oko 1 000) kako bi se postigli optimalni rezultati. Prikazana je shema INA -e s pripadajućim vrijednostima otpornika. Dobit ove INA -e može se teoretski izračunati kako bi se potvrdilo da je postavka bila ispravna i da su vrijednosti otpornika bile odgovarajuće. Jednadžba (1) prikazuje jednadžbu koja se koristi za izračunavanje da je teoretski dobitak 1 000, gdje je R1 = R3, R4 = R5 i R6 = R7.

Jednadžba (1): Dobitak = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Korak 2: Izgradnja pojasni filtar

Glavni izvor buke uključuje električne signale koji se šire tijelom, pa je industrijski standard uključiti pojasni filtar s graničnim frekvencijama od 0,5 Hz i 150 Hz za uklanjanje izobličenja na EKG -u. Ovaj je filter koristio visokopropusni i niskopropusni filtar za uklanjanje signala izvan ovog frekvencijskog područja. Prikazana je shema ovog filtra s pripadajućim vrijednostima otpornika i kondenzatora. Točne vrijednosti otpornika i kondenzatora pronađene su pomoću formule prikazane u jednadžbi (2). Ova je formula korištena dva puta, jedan za visokofrekventnu graničnu frekvenciju od 0,5 Hz i drugu za niskopropusnu graničnu frekvenciju od 150 Hz. U svakom slučaju vrijednost kondenzatora postavljena je na 1 μF, a vrijednost otpornika je izračunata.

Jednadžba 2: R = 1 / (2 * pi * Granična frekvencija * C)

Korak 3: Izrada Notch filtra

Drugi uobičajeni izvor buke povezan s EKG -om uzrokovani su dalekovodima i drugom elektroničkom opremom, ali uklonjeni su ureznim filterom. Ova tehnika filtriranja koristila je visokopropusni i niskopropusni filter paralelno za uklanjanje šuma posebno na 60 Hz. Prikazana je shema urezanog filtra s odgovarajućim vrijednostima otpornika i kondenzatora. Točne vrijednosti otpornika i kondenzatora određene su tako da je R1 = R2 = 2R3 i C1 = 2C2 = 2C3. Zatim, kako bi se osigurala granična frekvencija od 60 Hz, R1 je postavljen na 1 kΩ, a jednadžba (3) je korištena za pronalaženje vrijednosti C1.

Jednadžba 3: C = 1 / (4 * pi * Granična frekvencija * R)

Korak 4: Izgradnja cjelovitog sustava

Konačno, sve tri komponente su kombinirane kako bi se osiguralo da cijeli uređaj ispravno funkcionira. Vrijednosti specifičnih komponenti nisu se promijenile kada je implementiran cijeli sustav, a simulacijski parametri su prikazani na slici 4. Svaki dio je serijski povezan jedan s drugim u sljedećem redoslijedu: INA, propusni filtar i usječni filter. Iako se filteri mogu zamijeniti, INA bi trebala ostati prva komponenta, tako da se pojačanje može dogoditi prije bilo kakvog filtriranja.

Korak 5: Testiranje svake komponente

Kako bi se provjerila valjanost ovog sustava, svaka je komponenta prvo testirana zasebno, a zatim je testiran cijeli sustav. Za svako ispitivanje, ulazni signal bio je postavljen unutar tipičnog raspona fizioloških signala (5 mV i 1 kHz), tako da sustav može biti što točniji. Za INA je dovršena izmjena izmjenične struje i prijelazna analiza, tako da se dobitak mogao odrediti pomoću dvije metode (jednadžbe (4) i (5)). Oba su filtra ispitana korištenjem izmjenične struje kako bi se osiguralo da se granične frekvencije pojavljuju na željenim vrijednostima.

Jednadžba 4: Dobitak = 10 ^ (dB / 20) Jednadžba 5: Dobitak = Izlazni napon / Ulazni napon

Prva prikazana slika je izmjenjivanje izmjenične struje INA -e, druga i treća su prijelazne analize INA -e za ulazni i izlazni napon. Četvrti je izmjenjivač izmjeničnog napona filtra pojasa, a peti izmjera izmjeničnog napona usjek filtra.

Korak 6: Testiranje cijelog sustava

Konačno, cijeli sustav je testiran izmjenom izmjenične struje i prijelaznom analizom; međutim, ulaz u ovaj sustav bio je stvarni EKG signal. Prva gornja slika prikazuje rezultate izmjenične struje, dok druga prikazuje rezultate prijelazne analize. Svaki redak odgovara mjerenju nakon svake komponente: zeleni - INA, plavi - propusni filtar i crveni filter s usjekom. Konačna slika zumira jedan određeni EKG val radi lakše analize.

Korak 7: Završne misli

Općenito, ovaj sustav je dizajniran za prihvaćanje EKG signala, njegovo pojačavanje i uklanjanje neželjene buke tako da se može lako protumačiti. Za potpuni sustav, instrumentalno pojačalo, pojasni filtar i usjek filtar dizajnirani su prema posebnim projektnim specifikacijama za postizanje cilja. Nakon projektiranja ovih komponenti u LTspice -u, provedena je kombinacija AC sweep i prolaznih analiza kako bi se provjerila valjanost svake komponente i cijelog sustava. Ti su testovi pokazali da je cjelokupni dizajn sustava valjan i da svaka komponenta funkcionira prema očekivanjima.

U budućnosti se ovaj sustav može pretvoriti u fizički krug za ispitivanje živih EKG podataka. Ova bi ispitivanja bila posljednji korak u utvrđivanju je li dizajn valjan. Nakon što se dovrši, sustav se može prilagoditi za upotrebu u različitim zdravstvenim ustanovama i koristiti za pomoć kliničarima u dijagnosticiranju i liječenju srčanih bolesti.