Modeliranje EKG signala v LTspice: 7 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:02

EKG je zelo pogosta metoda za merjenje električnih signalov, ki se pojavljajo v srcu. Splošna ideja tega postopka je najti težave s srcem, kot so aritmije, koronarna bolezen ali srčni napad. Morda bo potrebno, če ima bolnik simptome, kot so bolečine v prsih, težave z dihanjem ali neenakomeren srčni utrip, imenovan palpitacije, lahko pa ga uporabimo tudi za zagotovitev pravilnega delovanja srčnih spodbujevalnikov in drugih naprav za vsaditev. Podatki Svetovne zdravstvene organizacije kažejo, da so bolezni srca in ožilja največji vzrok smrti po vsem svetu; te bolezni vsako leto ubijejo približno 18 milijonov ljudi. Zato so naprave, ki lahko spremljajo ali odkrijejo te bolezni, izjemno pomembne, zato je bil razvit EKG. EKG je popolnoma neinvaziven medicinski test, ki za pacienta ne predstavlja tveganja, razen nekaj manjšega nelagodja pri odstranitvi elektrod.

Celotna naprava, opisana v tem navodilu, bo sestavljena iz več komponent za manipulacijo hrupnega EKG signala, tako da je mogoče doseči optimalne rezultate. Posnetki EKG se pojavljajo pri običajno nizkih napetostih, zato je treba te signale okrepiti, preden lahko pride do analize, v tem primeru z instrumentacijskim ojačevalnikom. Prav tako je hrup pri posnetkih EKG zelo izrazit, zato je za čiščenje teh signalov potrebno filtriranje. Te motnje lahko prihajajo z različnih mest, zato je treba za odstranjevanje posebnih hrupov uporabiti različne pristope. Fiziološki signali se pojavljajo le v značilnem območju, zato se pasovni filter uporablja za odstranjevanje vseh frekvenc zunaj tega območja. Pogost šum v signalu EKG se imenuje interferenca daljnovoda, ki se pojavi pri približno 60 Hz in se odstrani z zareznim filtrom. Te tri komponente sočasno delujejo za čiščenje EKG signala in omogočajo lažjo interpretacijo in diagnozo. V modelu LTspice bodo modelirane za preverjanje njihove učinkovitosti.

1. korak: Izdelava instrumentacijskega ojačevalnika (INA)

Prva komponenta celotne naprave je bil instrumentacijski ojačevalnik (INA), ki lahko meri majhne signale, ki jih najdemo v hrupnem okolju. V tem primeru je bil narejen INA z visokim ojačanjem (okoli 1000), ki je omogočal optimalne rezultate. Prikazana je shema INA z ustreznimi vrednostmi upora. Dobiček te INA se lahko teoretično izračuna, da se potrdi, da je bila nastavitev veljavna in da so bile vrednosti upora ustrezne. Enačba (1) prikazuje enačbo, uporabljeno za izračun teoretičnega dobička 1 000, kjer je R1 = R3, R4 = R5 in R6 = R7.

Enačba (1): Dobiček = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

2. korak: Izdelajte pasovni filter

Glavni vir hrupa vključuje električne signale, ki se širijo po telesu, zato mora industrijski standard vključevati pasovni filter z mejnimi frekvencami 0,5 Hz in 150 Hz, da se odstranijo popačenja na EKG. Ta filter je za odpravo signalov izven tega frekvenčnega območja zaporedno uporabljal visokoprepustni in nizkoprepustni filter. Prikazana je shema tega filtra z ustreznimi vrednostmi upora in kondenzatorja. Natančne vrednosti uporov in kondenzatorjev so bile ugotovljene s formulo, prikazano v enačbi (2). Ta formula je bila uporabljena dvakrat, ena za visokofrekvenčno mejno frekvenco 0,5 Hz in eno za nizkoprehodno mejno frekvenco 150 Hz. V vsakem primeru je bila vrednost kondenzatorja nastavljena na 1 μF in izračunana je bila vrednost upora.

Enačba 2: R = 1 / (2 * pi * Mejna frekvenca * C)

3. korak: Zgradite zarezni filter

Drug pogost vir hrupa, povezanega z EKG, povzročajo daljnovodi in druga elektronska oprema, vendar so ga odstranili z zareznim filtrom. Ta tehnika filtriranja je vzporedno uporabljala visokoprepustni in nizkoprepustni filter za odstranjevanje hrupa pri 60 Hz. Prikazana je shema zareznega filtra z ustreznimi vrednostmi upora in kondenzatorja. Natančne vrednosti upora in kondenzatorja so bile določene tako, da je R1 = R2 = 2R3 in C1 = 2C2 = 2C3. Nato smo za zagotovitev mejne frekvence 60 Hz R1 nastavili na 1 kΩ in uporabili enačbo (3) za iskanje vrednosti C1.

Enačba 3: C = 1 / (4 * pi * Mejna frekvenca * R)

4. korak: Izdelava celotnega sistema

Nazadnje so bile vse tri komponente skupaj preizkušene, da se zagotovi pravilno delovanje celotne celotne naprave. Vrednosti določenih komponent se pri izvajanju celotnega sistema niso spremenile, simulacijski parametri pa so prikazani na sliki 4. Vsak del je bil zaporedno povezan med seboj v naslednjem vrstnem redu: INA, pasovni filter in zarezni filter. Medtem ko je mogoče filtre zamenjati, bi morala ostati INA kot prva komponenta, tako da lahko pride do ojačanja, preden pride do kakršnega koli filtriranja.

5. korak: Preizkusite vsako komponento

Za preverjanje veljavnosti tega sistema so najprej preizkusili vsako komponento posebej, nato pa celoten sistem. Za vsak preskus je bil vhodni signal nastavljen v tipičnem območju fizioloških signalov (5 mV in 1 kHz), tako da je sistem lahko čim natančnejši. Za INA so bili zaključeni izmenični tok in prehodna analiza, tako da se je dobiček lahko določil z dvema metodama (enačbi (4) in (5)). Filtri so bili preizkušeni z izmeničnim tokom, da se zagotovi, da se mejne frekvence pojavijo pri želenih vrednostih.

Enačba 4: Dobiček = 10 ^ (dB / 20) Enačba 5: Dobiček = Izhodna napetost / Vhodna napetost

Prva prikazana slika je izmenični tok INA, druga in tretja prehodna analiza INA za vhodno in izhodno napetost. Četrti je izmenični tok pasovnega filtra, peti pa izmenični tok zareznega filtra.

6. korak: Preizkusite celoten sistem

Nazadnje je bil celoten sistem preizkušen z izmeničnim tokom in prehodno analizo; vendar je bil vhod v ta sistem dejanski signal EKG. Prva zgornja slika prikazuje rezultate izmeničnega toka, druga pa rezultate prehodne analize. Vsaka vrstica ustreza meritvam za vsako komponento: zelena - INA, modro - pasovni filter in rdeče - zarezni filter. Končna slika poveča enoten val EKG -ja za lažjo analizo.

7. korak: Zadnje misli

Na splošno je bil ta sistem zasnovan tako, da sprejme signal EKG, ga ojača in odstrani vse neželene šume, tako da jih je mogoče enostavno interpretirati. Za celoten sistem so bili za dosego cilja zasnovani instrumentalni ojačevalnik, pasovni filter in zarezni filter, ki so dobili posebne konstrukcijske specifikacije. Po načrtovanju teh komponent v LTspice so izvedli kombinacijo izmenjevanja AC in prehodnih analiz, da bi preverili veljavnost vsake komponente in celotnega sistema. Ti testi so pokazali, da je celotna zasnova sistema veljavna in da vsaka komponenta deluje po pričakovanjih.

V prihodnosti se lahko ta sistem pretvori v fizično vezje, da se preverijo živi podatki EKG. Ti testi bi bili zadnji korak pri ugotavljanju, ali je zasnova veljavna. Ko je sistem dokončan, ga je mogoče prilagoditi za uporabo v različnih zdravstvenih ustanovah in ga uporabiti za pomoč zdravnikom pri diagnosticiranju in zdravljenju bolezni srca.