Modeliranje EKG signala u LTspice: 7 koraka

2025 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2025-01-13 06:57

EKG je vrlo uobičajena metoda za mjerenje električnih signala koji se javljaju u srcu. Opća ideja ove procedure je pronaći srčane probleme, kao što su aritmije, koronarna bolest ili srčani udar. Možda će biti potrebno ako pacijent osjeća simptome poput boli u prsima, otežano disanje ili neujednačeni otkucaji srca koji se nazivaju lupanje srca, ali se također može koristiti za osiguranje ispravnog rada pejsmejkera i drugih implantabilnih uređaja. Podaci Svjetske zdravstvene organizacije pokazuju da su kardiovaskularne bolesti najveći globalni uzrok smrti; ove bolesti godišnje ubiju približno 18 miliona 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 tako da se mogu postići optimalni rezultati. Snimanje EKG -a događa se pri tipično niskim naponima, pa bi te signale trebalo pojačati prije nego što dođe do analize, u ovom slučaju s instrumentacijskim pojačalom. Također, šum je vrlo izražen u snimcima 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. Psihološki signali javljaju se samo u tipičnom rasponu, pa se pojasni filter koristi za uklanjanje bilo koje frekvencije izvan ovog raspona. Uobičajena buka u EKG signalu naziva se smetnja na dalekovodu, koja se javlja pri približno 60 Hz i uklanja se pomoću urezanog filtera. 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 cijelog uređaja bilo je instrumentacijsko pojačalo (INA), koje može mjeriti male signale koji se nalaze u bučnim okruženjima. U ovom slučaju napravljena je INA s visokim pojačanjem (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. Jednačina (1) prikazuje jednadžbu koja se koristi za izračunavanje da je teoretski dobitak 1 000, gdje je R1 = R3, R4 = R5 i R6 = R7.

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

Korak 2: Izrada 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 filter je serijski koristio visokopropusni i niskopropusni filter za uklanjanje signala izvan ovog frekvencijskog područja. Prikazana je shema ovog filtra s odgovarajućim vrijednostima otpornika i kondenzatora. Tačne 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 jednu za niskopropusnu graničnu frekvenciju od 150 Hz. U svakom slučaju vrijednost kondenzatora je postavljena na 1 μF, a vrijednost otpornika je izračunata.

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

Korak 3: Izrada Notch filtera

Drugi uobičajeni izvor buke povezan s EKG -om uzrokovani su dalekovodima i drugom elektroničkom opremom, ali je uklonjen ureznim filterom. Ova tehnika filtriranja koristila je visokopropusni i niskopropusni filter paralelno za uklanjanje šuma posebno na 60 Hz. Prikazana je shema urezanog filtera sa 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.

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

Korak 4: Izgradnja potpunog sistema

Konačno, sve tri komponente su kombinirane kako bi se osiguralo da cijeli uređaj radi ispravno. Vrijednosti specifičnih komponenti nisu se promijenile kada je implementiran cijeli sistem, a simulacijski parametri su prikazani na slici 4. Svaki dio je serijski povezan jedan s drugim u sljedećem redoslijedu: INA, propusni filter i filter sa zarezima. 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 sistema, svaka komponenta je prvo testirana zasebno, a zatim je testiran cijeli sistem. Za svako ispitivanje, ulazni signal je postavljen tako da bude unutar tipičnog raspona fizioloških signala (5 mV i 1 kHz), tako da sistem može biti što precizniji. Za INA su dovršene izmjenične struje i prijelazna analiza, tako da se pojačanje moglo odrediti pomoću dvije metode (jednadžbe (4) i (5)). Oba filtera su testirana korištenjem izmjenične struje kako bi se osiguralo da se granične frekvencije pojavljuju na željenim vrijednostima.

Jednačina 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 prijelazna analiza INA -e za ulazni i izlazni napon. Četvrti je izmjena naizmjenične struje filtra pojasa, a peti izmjera izmjeničnog napona usjek filtra.

Korak 6: Testiranje cijelog sistema

Konačno, cijeli sistem je testiran izmjenom izmjenične struje i analizom prijelaznih stanja; međutim, ulaz u ovaj sistem bio je stvarni EKG signal. Prva gornja slika prikazuje rezultate izmjenične struje, dok druga prikazuje rezultate prijelazne analize. Svaka linija odgovara mjerenju koje se vrši nakon svake komponente: zelena - INA, plava - pojasni filter i crveni filter sa zarezima. Konačna slika zumira jedan određeni EKG val radi lakše analize.

Korak 7: Završne misli

Sve u svemu, ovaj sistem je dizajniran da primi EKG signal, pojača ga i ukloni bilo koji neželjeni šum tako da se može lako protumačiti. Za potpuni sistem, instrumentaciono pojačalo, propusni filter i filter sa zarezima su projektovani prema posebnim dizajnerskim 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 sistema. Ovi testovi su pokazali da je cjelokupni dizajn sistema valjan i da svaka komponenta funkcionira kako se očekivalo.

U budućnosti se ovaj sistem može pretvoriti u fizičko kolo radi testiranja živih EKG podataka. Ova ispitivanja bila bi posljednji korak u utvrđivanju je li dizajn valjan. Kada se dovrši, sistem se može prilagoditi za upotrebu u različitim zdravstvenim ustanovama i koristiti za pomoć kliničarima u dijagnostici i liječenju srčanih bolesti.