EKG -signaalin mallinnus LTspice -ohjelmassa: 7 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 08:59

EKG on hyvin yleinen menetelmä sydämen sähköisten signaalien mittaamiseen. Tämän menettelyn yleinen idea on löytää sydänongelmia, kuten rytmihäiriöitä, sepelvaltimotautia tai sydänkohtauksia. Se voi olla tarpeen, jos potilaalla esiintyy oireita, kuten rintakipua, hengitysvaikeuksia tai epätasaisia sydämenlyöntejä, joita kutsutaan sydämentykytykseksi, mutta sitä voidaan käyttää myös varmistamaan, että sydämentahdistimet ja muut istutettavat laitteet toimivat oikein. Maailman terveysjärjestön tiedot osoittavat, että sydän- ja verisuonitaudit ovat maailman suurin kuolinsyy; nämä sairaudet tappavat vuosittain noin 18 miljoonaa ihmistä. Siksi laitteet, joilla voidaan seurata tai löytää näitä sairauksia, ovat uskomattoman tärkeitä, minkä vuoksi EKG kehitettiin. EKG on täysin ei-invasiivinen lääketieteellinen testi, joka ei aiheuta riskiä potilaalle lukuun ottamatta pientä epämukavuutta, kun elektrodit irrotetaan.

Tässä ohjeessa kuvattu koko laite koostuu useista komponenteista meluisan EKG -signaalin manipuloimiseksi optimaalisten tulosten saavuttamiseksi. EKG -tallenteet tapahtuvat tyypillisesti pienillä jännitteillä, joten nämä signaalit on vahvistettava ennen analyysin suorittamista, tässä tapauksessa instrumenttivahvistimella. Lisäksi melu on erittäin näkyvää EKG -tallennuksissa, joten suodattimet on suoritettava näiden signaalien puhdistamiseksi. Tämä häiriö voi tulla useista paikoista, joten erityisiä ääniä on poistettava eri lähestymistavoilla. Fysiologisia signaaleja esiintyy vain tyypillisellä alueella, joten kaistanpäästösuodatinta käytetään poistamaan kaikki taajuudet tämän alueen ulkopuolelta. Yleistä kohinaa EKG -signaalissa kutsutaan voimalinjan häiriöksi, joka esiintyy noin 60 Hz: n taajuudella ja poistetaan lovisuodattimella. Nämä kolme komponenttia puhdistavat samanaikaisesti EKG -signaalin ja mahdollistavat helpomman tulkinnan ja diagnoosit, ja ne mallinnetaan LTspicessa niiden tehokkuuden testaamiseksi.

Vaihe 1: Instrumentointivahvistimen (INA) rakentaminen

Koko laitteen ensimmäinen komponentti oli instrumentointivahvistin (INA), joka voi mitata meluisissa ympäristöissä esiintyviä pieniä signaaleja. Tässä tapauksessa INA tehtiin suurella vahvistuksella (noin 1 000) optimaalisten tulosten saavuttamiseksi. Kaavio INA: sta sen vastaavilla arvoilla on esitetty. Tämän INA: n vahvistus voidaan laskea teoreettisesti sen varmistamiseksi, että asetukset olivat päteviä ja että vastuksen arvot olivat asianmukaiset. Yhtälö (1) esittää yhtälön, jota käytettiin laskettaessa, että teoreettinen vahvistus oli 1 000, jossa R1 = R3, R4 = R5 ja R6 = R7.

Yhtälö (1): Vahvistus = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Vaihe 2: Kaistanpäästösuodattimen rakentaminen

Tärkein melun lähde sisältää sähköisiä signaaleja, jotka etenevät kehon läpi, joten alan standardi on sisällyttää kaistanpäästösuodatin, jonka rajataajuudet ovat 0,5 Hz ja 150 Hz EKG: n vääristymien poistamiseksi. Tämä suodatin käytti sarjaan ylipäästö- ja alipäästösuodatinta poistamaan signaalit tämän taajuusalueen ulkopuolelta. Tämän suodattimen kaavio sekä sen vastuksen ja kondensaattorin arvot on esitetty. Vastuksien ja kondensaattoreiden tarkat arvot löydettiin käyttäen yhtälössä (2) esitettyä kaavaa. Tätä kaavaa käytettiin kahdesti, toinen ylipäästön rajataajuudelle 0,5 Hz ja toinen alipäästön rajataajuudelle 150 Hz. Kussakin tapauksessa kondensaattorin arvoksi asetettiin 1 μF ja vastusarvo laskettiin.

Yhtälö 2: R = 1 / (2 * pi * rajataajuus * C)

Vaihe 3: Lovisuodattimen rakentaminen

Toinen yleinen EKG: hen liittyvän melun lähde on voimalinjat ja muut elektroniset laitteet, mutta se poistettiin lovisuodattimella. Tämä suodatustekniikka käytti ylipäästö- ja alipäästösuodatinta rinnakkain melun poistamiseksi erityisesti 60 Hz: n taajuudella. Lovisuodattimen kaavio vastaavilla ja kondensaattorin arvoilla on esitetty. Tarkat vastuksen ja kondensaattorin arvot määritettiin siten, että R1 = R2 = 2R3 ja C1 = 2C2 = 2C3. Sitten 60 Hz: n rajataajuuden varmistamiseksi R1 asetettiin 1 kΩ: ksi ja yhtälöä (3) käytettiin C1: n arvon löytämiseksi.

Yhtälö 3: C = 1 / (4 * pi * rajataajuus * R)

Vaihe 4: Koko järjestelmän rakentaminen

Lopuksi kaikki kolme komponenttia testattiin yhdessä sen varmistamiseksi, että koko laite toimi oikein. Komponenttien arvot eivät muuttuneet, kun koko järjestelmä otettiin käyttöön, ja simulaatioparametrit ovat kuvassa 4. Kukin osa on kytketty sarjaan toisiinsa seuraavassa järjestyksessä: INA, kaistanpäästösuodatin ja lovisuodatin. Vaikka suodattimet voitaisiin vaihtaa, INA: n tulisi jäädä ensimmäiseksi komponenttiksi, jotta vahvistaminen voi tapahtua ennen suodatusta.

Vaihe 5: Kunkin komponentin testaus

Tämän järjestelmän pätevyyden testaamiseksi jokainen komponentti testattiin ensin erikseen ja sitten koko järjestelmä. Jokaisessa testissä tulosignaali asetettiin tyypilliselle fysiologisten signaalien alueelle (5 mV ja 1 kHz), jotta järjestelmä voisi olla mahdollisimman tarkka. INA: lle tehtiin AC -pyyhkäisy ja ohimenevä analyysi, jotta vahvistus voitaisiin määrittää kahdella menetelmällä (yhtälöt (4) ja (5)). Molemmat suodattimet testattiin AC -pyyhkäisyllä sen varmistamiseksi, että rajataajuudet tapahtuvat halutuilla arvoilla.

Yhtälö 4: Vahvistus = 10 ^ (dB / 20) Yhtälö 5: Vahvistus = lähtöjännite / tulojännite

Ensimmäinen esitetty kuva on INA: n AC -pyyhkäisy, toinen ja kolmas ovat INA: n ohimenevä analyysi tulo- ja lähtöjännitteille. Neljäs on kaistanpäästösuodattimen AC -pyyhkäisy ja viides lovisuodattimen AC -pyyhkäisy.

Vaihe 6: Koko järjestelmän testaaminen

Lopuksi koko järjestelmä testattiin AC -pyyhkäisyllä ja ohimenevällä analyysillä; tämän järjestelmän tulo oli kuitenkin todellinen EKG -signaali. Ensimmäinen kuva yllä näyttää AC -pyyhkäisyn tulokset, kun taas toinen näyttää ohimenevän analyysin tulokset. Jokainen rivi vastaa mittausta jokaisen komponentin jälkeen: vihreä - INA, sininen - kaistanpäästösuodatin ja punainen - lovinen suodatin. Lopullinen kuva zoomaa yhteen tiettyyn EKG -aaltoon analysoinnin helpottamiseksi.

Vaihe 7: Viimeiset ajatukset

Kaiken kaikkiaan tämä järjestelmä on suunniteltu vastaanottamaan EKG -signaali, vahvistamaan sitä ja poistamaan kaikki ei -toivotut kohinat, jotta se on helppo tulkita. Koko järjestelmän osalta instrumentointivahvistin, kaistanpäästösuodatin ja lovisuodatin suunniteltiin erityisillä suunnittelutavoitteilla tavoitteen saavuttamiseksi. Kun nämä komponentit oli suunniteltu LTspiceen, tehtiin AC -pyyhkäisyn ja ohimenevien analyysien yhdistelmä kunkin komponentin ja koko järjestelmän pätevyyden testaamiseksi. Nämä testit osoittivat, että järjestelmän yleinen rakenne oli pätevä ja että jokainen komponentti toimi odotetusti.

Jatkossa tämä järjestelmä voidaan muuntaa fyysiseksi piiriksi testatakseen live -EKG -dataa. Nämä testit olisivat viimeinen vaihe määritettäessä, onko malli pätevä. Valmistuttuaan järjestelmää voidaan mukauttaa käytettäväksi erilaisissa terveydenhuoltoympäristöissä ja auttaa lääkäreitä diagnosoimaan ja hoitamaan sydänsairauksia.