Modelovanie signálu EKG v LTspice: 7 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

EKG je veľmi bežná metóda na meranie elektrických signálov, ktoré sa vyskytujú v srdci. Všeobecnou myšlienkou tohto postupu je nájsť srdcové problémy, ako sú arytmie, ochorenie koronárnych artérií alebo srdcové infarkty. Môže byť nevyhnutné, ak má pacient príznaky ako bolesť na hrudníku, ťažkosti s dýchaním alebo nerovnomerné údery srdca nazývané palpitácie, ale môže byť tiež použitý na zaistenie správneho fungovania kardiostimulátorov a iných implantovateľných zariadení. Údaje Svetovej zdravotníckej organizácie ukazujú, že kardiovaskulárne ochorenia sú celosvetovo najväčšími príčinami úmrtí; tieto choroby zabijú približne 18 miliónov ľudí ročne. Preto sú zariadenia, ktoré môžu sledovať alebo objavovať tieto choroby, mimoriadne dôležité, a preto bolo vyvinuté EKG. EKG je úplne neinvazívny lekársky test, ktorý pre pacienta nepredstavuje žiadne riziko, s výnimkou malého nepohodlia pri vyberaní elektród.

Celé zariadenie načrtnuté v tomto návode bude pozostávať z niekoľkých komponentov na manipuláciu so šumovým signálom EKG, aby sa dosiahli optimálne výsledky. Záznamy EKG sa vyskytujú pri typicky nízkych napätiach, takže tieto signály by mali byť pred analýzou zosilnené, v tomto prípade pomocou prístrojového zosilňovača. V záznamoch EKG je tiež veľmi výrazný šum, takže na vyčistenie týchto signálov je potrebné filtrovať. Táto interferencia môže pochádzať z rôznych miest, takže na odstránenie konkrétnych zvukov je potrebné zvoliť rôzne prístupy. Psychologické signály sa vyskytujú iba v typickom rozsahu, takže na odstránenie akýchkoľvek frekvencií mimo tento rozsah sa používa pásmový filter. Bežný šum v signáli EKG sa nazýva rušenie elektrického vedenia, ktoré sa vyskytuje pri približne 60 Hz a je odstránené pomocou zárezového filtra. Tieto tri zložky pracujú súčasne na čistení signálu EKG a umožňujú jednoduchšiu interpretáciu a diagnostiku a budú modelované v LTspice na testovanie ich účinnosti.

Krok 1: Zostavenie zosilňovača prístrojov (INA)

Prvým komponentom celého zariadenia bol prístrojový zosilňovač (INA), ktorý dokáže merať malé signály nachádzajúce sa v hlučnom prostredí. V tomto prípade bola vykonaná INA s vysokým ziskom (okolo 1 000), aby sa umožnili optimálne výsledky. Je znázornená schéma INA s príslušnými hodnotami odporu. Zisk tejto INA je možné teoreticky vypočítať, aby sa potvrdilo, že nastavenie bolo platné a hodnoty odporu boli vhodné. Rovnica (1) ukazuje rovnicu použitú na výpočet teoretického zisku 1 000, kde R1 = R3, R4 = R5 a R6 = R7.

Rovnica (1): Zisk = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Krok 2: Vytvorenie pásmového filtra

Medzi hlavný zdroj hluku patria elektrické signály šíriace sa telom, takže priemyselným štandardom je zahrnúť pásmový filter s medznými frekvenciami 0,5 Hz a 150 Hz na odstránenie skreslení na EKG. Tento filter používal v sérii hornopriepustný a dolnopriepustný filter na elimináciu signálov mimo tento frekvenčný rozsah. Je znázornená schéma tohto filtra s príslušnými hodnotami rezistora a kondenzátora. Presné hodnoty rezistorov a kondenzátorov boli zistené pomocou vzorca uvedeného v rovnici (2). Tento vzorec bol použitý dvakrát, jeden pre hornú medznú frekvenciu 0,5 Hz a jeden pre dolnú priepustnú frekvenciu 150 Hz. V každom prípade bola hodnota kondenzátora nastavená na 1 μF a bola vypočítaná hodnota odporu.

Rovnica 2: R = 1 / (2 * pi * medzná frekvencia * C)

Krok 3: Vytvorenie filtra Notch

Ďalší bežný zdroj hluku spojený s EKG je spôsobený elektrickými vedeniami a iným elektronickým zariadením, ale bol odstránený pomocou zárezového filtra. Táto filtračná technika využívala paralelne hornopriepustný a dolnopriepustný filter na odstránenie šumu konkrétne pri 60 Hz. Je znázornená schéma zárezového filtra s príslušnými hodnotami rezistora a kondenzátora. Presné hodnoty odporu a kondenzátora boli určené tak, že R1 = R2 = 2R3 a C1 = 2C2 = 2C3. Potom, aby sa zabezpečila medzná frekvencia 60 Hz, R1 sa nastavil na 1 kΩ a rovnica (3) sa použila na nájdenie hodnoty C1.

Rovnica 3: C = 1 / (4 * pi * medzná frekvencia * R)

Krok 4: Budovanie úplného systému

Nakoniec boli všetky tri komponenty testované, aby sa zabezpečilo správne fungovanie celého zariadenia. Hodnoty konkrétnych komponentov sa nezmenili, keď bol implementovaný celý systém, a parametre simulácie sú uvedené na obrázku 4. Každá časť bola navzájom zapojená do série v nasledujúcom poradí: INA, pásmový filter a zárezový filter. Aj keď je možné filtre zameniť, INA by mala zostať ako prvý komponent, aby k zosilneniu mohlo dôjsť skôr, ako dôjde k filtrovaniu.

Krok 5: Testovanie každého komponentu

Na testovanie platnosti tohto systému bol najskôr testovaný každý komponent samostatne a potom bol testovaný celý systém. Pri každom teste bol vstupný signál nastavený tak, aby bol v typickom rozsahu fyziologických signálov (5 mV a 1 kHz), aby bol systém čo najpresnejší. Pre INA bola dokončená AC analýza a prechodová analýza, aby zisk mohol byť určený pomocou dvoch metód (rovnice (4) a (5)). Oba filtre boli testované s použitím striedania striedavého prúdu, aby sa zaistilo, že medzné frekvencie sa vyskytujú pri požadovaných hodnotách.

Rovnica 4: Zisk = 10 ^ (dB / 20) Rovnica 5: Zisk = výstupné napätie / vstupné napätie

Prvý zobrazený obrázok je rozmetanie AC INA, druhý a tretí sú prechodová analýza INA pre vstupné a výstupné napätie. Štvrtý je striedavý prúd pásmového filtra a piaty je striedavý tok zárezového filtra.

Krok 6: Testovanie celého systému

Nakoniec bol celý systém testovaný pomocou striedania a prechodovej analýzy; vstupom do tohto systému bol však skutočný signál EKG. Prvý obrázok vyššie ukazuje výsledky striedania AC, zatiaľ čo druhý ukazuje výsledky prechodovej analýzy. Každý riadok zodpovedá meraniu vykonanému po každom komponente: zelený - INA, modrý - pásmový filter a červený - vrubový filter. Výsledný obrázok priblíži jednu konkrétnu vlnu EKG, aby sa uľahčila analýza.

Krok 7: Záverečné myšlienky

Celkovo bol tento systém navrhnutý tak, aby zachytával signál EKG, zosilňoval ho a odstraňoval všetok nežiaduci šum, aby ho bolo možné ľahko interpretovať. Pre celý systém bol na dosiahnutie cieľa navrhnutý prístrojový zosilňovač, pásmový filter a filter so zárezom. Po navrhnutí týchto komponentov v LTspice sa vykonala kombinácia analýz striedavého prúdu a prechodových analýz, aby sa otestovala platnosť každej zložky a celého systému. Tieto testy ukázali, že celkový návrh systému bol platný a že každý komponent fungoval podľa očakávania.

V budúcnosti môže byť tento systém konvertovaný na fyzický obvod na testovanie živých údajov EKG. Tieto testy by boli posledným krokom pri určovaní, či je návrh platný. Po dokončení je možné systém prispôsobiť tak, aby bol použiteľný v rôznych zdravotníckych zariadeniach, a pomôcť klinickým lekárom diagnostikovať a liečiť srdcové choroby.