Modelowanie sygnału EKG w LTspice: 7 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:26

EKG to bardzo powszechna metoda pomiaru sygnałów elektrycznych występujących w sercu. Ogólną ideą tej procedury jest wykrycie problemów z sercem, takich jak arytmie, choroba wieńcowa lub zawał serca. Może to być konieczne, jeśli pacjent doświadcza objawów, takich jak ból w klatce piersiowej, trudności w oddychaniu lub nierówne bicie serca zwane kołataniem serca, ale może być również stosowane w celu zapewnienia prawidłowego działania rozruszników serca i innych wszczepialnych urządzeń. Dane Światowej Organizacji Zdrowia pokazują, że choroby sercowo-naczyniowe są największymi przyczynami zgonów na świecie; choroby te zabijają każdego roku około 18 milionów ludzi. Dlatego niezwykle ważne są urządzenia, które mogą monitorować lub wykrywać te choroby, dlatego opracowano EKG. EKG to całkowicie nieinwazyjne badanie medyczne, które nie stanowi zagrożenia dla pacjenta, z wyjątkiem niewielkiego dyskomfortu podczas wyjmowania elektrod.

Pełne urządzenie opisane w tej instrukcji będzie składać się z kilku elementów do manipulowania zaszumionym sygnałem EKG, tak aby można było uzyskać optymalne wyniki. Zapisy EKG odbywają się przy typowo niskich napięciach, więc sygnały te powinny zostać wzmocnione przed rozpoczęciem analizy, w tym przypadku za pomocą wzmacniacza instrumentalnego. Ponadto w zapisach EKG bardzo widoczny jest szum, dlatego w celu oczyszczenia tych sygnałów musi nastąpić filtrowanie. Zakłócenia te mogą pochodzić z różnych miejsc, dlatego należy zastosować różne podejścia, aby usunąć określone dźwięki. Sygnały fizjologiczne występują tylko w typowym zakresie, dlatego filtr pasmowy służy do usuwania wszelkich częstotliwości spoza tego zakresu. Powszechny szum w sygnale EKG nazywany jest zakłóceniami linii energetycznej, które występują przy około 60 Hz i są usuwane za pomocą filtra wycinającego. Te trzy komponenty działają jednocześnie, aby oczyścić sygnał EKG i umożliwić łatwiejszą interpretację i diagnozę. Będą modelowane w LTspice w celu przetestowania ich skuteczności.

Krok 1: Budowa wzmacniacza oprzyrządowania (INA)

Pierwszym komponentem pełnego urządzenia był wzmacniacz oprzyrządowania (INA), który może mierzyć małe sygnały występujące w hałaśliwym otoczeniu. W tym przypadku INA została wykonana z dużym wzmocnieniem (około 1000), aby umożliwić uzyskanie optymalnych wyników. Pokazano schemat INA z odpowiednimi wartościami rezystorów. Wzmocnienie tego INA można obliczyć teoretycznie, aby potwierdzić, że konfiguracja była prawidłowa i że wartości rezystorów były odpowiednie. Równanie (1) pokazuje równanie użyte do obliczenia, że teoretyczny zysk wyniósł 1000, gdzie R1 = R3, R4 = R5 i R6 = R7.

Równanie (1): Wzmocnienie = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Krok 2: Budowanie filtra pasmowego

Głównym źródłem hałasu są sygnały elektryczne rozchodzące się po ciele, dlatego standardem branżowym jest zastosowanie filtra pasmowego o częstotliwościach odcięcia 0,5 Hz i 150 Hz w celu usunięcia zniekształceń z EKG. Filtr ten wykorzystywał szeregowo filtr górnoprzepustowy i dolnoprzepustowy, aby wyeliminować sygnały spoza tego zakresu częstotliwości. Pokazano schemat tego filtru z odpowiednimi wartościami rezystora i kondensatora. Dokładne wartości rezystorów i kondensatorów zostały znalezione za pomocą wzoru przedstawionego w równaniu (2). Wzór ten zastosowano dwukrotnie, jeden dla górnoprzepustowej częstotliwości odcięcia 0,5 Hz, a drugi dla dolnoprzepustowej częstotliwości odcięcia 150 Hz. W każdym przypadku wartość kondensatora została ustawiona na 1 μF, a wartość rezystora została obliczona.

Równanie 2: R = 1 / (2 * pi * Częstotliwość odcięcia * C)

Krok 3: Budowanie filtra wycinającego

Innym powszechnym źródłem szumów związanych z EKG są linie energetyczne i inny sprzęt elektroniczny, ale zostało wyeliminowane za pomocą filtra wycinającego. Ta technika filtrowania wykorzystuje równolegle filtr górnoprzepustowy i dolnoprzepustowy w celu usunięcia szumu szczególnie przy 60 Hz. Pokazano schemat filtra wycinającego z odpowiednimi wartościami rezystora i kondensatora. Dokładne wartości rezystorów i kondensatorów zostały określone tak, że R1 = R2 = 2R3 i C1 = 2C2 =2C3. Następnie, aby zapewnić częstotliwość graniczną 60 Hz, R1 ustawiono na 1 kΩ, a do znalezienia wartości C1 wykorzystano równanie (3).

Równanie 3: C = 1 / (4 * pi * Częstotliwość odcięcia * R)

Krok 4: Budowanie pełnego systemu

Na koniec wszystkie trzy komponenty zostały połączone i przetestowane, aby zapewnić prawidłowe działanie całego urządzenia. Poszczególne wartości komponentów nie uległy zmianie po wdrożeniu pełnego systemu, a parametry symulacji znajdują się na rysunku 4. Każda część została połączona szeregowo ze sobą w następującej kolejności: INA, filtr pasmowy i filtr wycinający. Chociaż filtry mogą być wymieniane, INA powinien pozostać jako pierwszy komponent, tak aby wzmocnienie mogło nastąpić, zanim nastąpi jakiekolwiek filtrowanie.

Krok 5: Testowanie każdego komponentu

Aby przetestować ważność tego systemu, najpierw testowano każdy komponent osobno, a następnie testowano cały system. Dla każdego testu sygnał wejściowy został ustawiony tak, aby mieścił się w typowym zakresie sygnałów fizjologicznych (5 mV i 1 kHz), tak aby system był jak najdokładniejszy. Przemiatanie AC i analizę stanów przejściowych wykonano dla INA, aby wzmocnienie można było określić za pomocą dwóch metod (Równania (4) i (5)). Oba filtry przetestowano przy użyciu przemiatania prądem przemiennym, aby upewnić się, że częstotliwości odcięcia występują przy pożądanych wartościach.

Równanie 4: Wzmocnienie = 10 ^ (dB / 20)Równanie 5: Wzmocnienie = Napięcie wyjściowe / Napięcie wejściowe

Pierwszy pokazany obraz to przemiatanie AC INA, drugi i trzeci to analiza przejściowa INA dla napięć wejściowych i wyjściowych. Czwarty to przemiatanie AC filtra pasmowego, a piąty to przemiatanie AC filtra wycinającego.

Krok 6: Testowanie pełnego systemu

Na koniec cały system został przetestowany za pomocą przemiatania AC i analizy stanów przejściowych; jednak sygnałem wejściowym do tego systemu był rzeczywisty sygnał EKG. Pierwszy obraz powyżej pokazuje wyniki przemiatania AC, podczas gdy drugi pokazuje wyniki analizy transjentów. Każda linia odpowiada pomiarowi wykonanemu po każdym składniku: zielony - INA, niebieski - filtr pasmowy, czerwony - filtr notch. Ostateczny obraz powiększa jedną konkretną falę EKG w celu łatwiejszej analizy.

Krok 7: Końcowe myśli

Ogólnie rzecz biorąc, system ten został zaprojektowany do odbierania sygnału EKG, wzmacniania go i usuwania niechcianych szumów, aby można go było łatwo zinterpretować. Dla pełnego systemu zaprojektowano wzmacniacz oprzyrządowania, filtr pasmowoprzepustowy i filtr wycinający, biorąc pod uwagę szczególne specyfikacje projektowe, aby osiągnąć cel. Po zaprojektowaniu tych komponentów w LTspice przeprowadzono kombinację analiz przemiatania prądu przemiennego i stanów nieustalonych w celu przetestowania poprawności każdego komponentu i całego systemu. Testy te wykazały, że ogólny projekt systemu był prawidłowy, a każdy element działał zgodnie z oczekiwaniami.

W przyszłości system ten będzie można przekształcić w fizyczny obwód do testowania danych EKG na żywo. Testy te byłyby ostatnim krokiem w ustaleniu, czy projekt jest prawidłowy. Po zakończeniu system można dostosować do użytku w różnych placówkach opieki zdrowotnej i używać go do pomocy klinicystom w diagnozowaniu i leczeniu chorób serca.