EKG signālu modelēšana LTspice: 7 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:51

EKG ir ļoti izplatīta metode sirds elektrisko signālu mērīšanai. Šīs procedūras vispārējā ideja ir atrast sirds problēmas, piemēram, aritmijas, koronāro artēriju slimību vai sirdslēkmes. Tas var būt nepieciešams, ja pacientam rodas tādi simptomi kā sāpes krūtīs, apgrūtināta elpošana vai nevienmērīga sirdsdarbība, ko sauc par sirdsklauves, bet to var izmantot arī, lai nodrošinātu elektrokardiostimulatoru un citu implantējamu ierīču pareizu darbību. Pasaules Veselības organizācijas dati liecina, ka ar sirds un asinsvadu slimībām saistītas slimības ir lielākie nāves cēloņi visā pasaulē; šīs slimības katru gadu nogalina aptuveni 18 miljonus cilvēku. Tāpēc ierīces, kas var uzraudzīt vai atklāt šīs slimības, ir neticami svarīgas, tāpēc tika izstrādāta EKG. EKG ir pilnīgi neinvazīva medicīniskā pārbaude, kas nerada risku pacientam, izņemot nelielu diskomfortu, kad tiek noņemti elektrodi.

Pilna ierīce, kas aprakstīta šajā pamācībā, sastāvēs no vairākiem komponentiem, lai manipulētu ar trokšņaino EKG signālu, lai iegūtu optimālus rezultātus. EKG ieraksti notiek parasti ar zemu spriegumu, tāpēc šie signāli pirms analīzes veikšanas ir jāpastiprina, šajā gadījumā ar instrumentu pastiprinātāju. Arī EKG ierakstos troksnis ir ļoti pamanāms, tāpēc, lai notīrītu šos signālus, ir jāfiltrē. Šī iejaukšanās var rasties no dažādām vietām, tāpēc, lai novērstu īpašus trokšņus, ir jāizmanto dažādas pieejas. Fizioloģiskie signāli rodas tikai tipiskā diapazonā, tāpēc frekvenču joslas filtru izmanto, lai noņemtu visas frekvences ārpus šī diapazona. Bieži sastopamu troksni EKG signālā sauc par strāvas līnijas traucējumiem, kas rodas aptuveni 60 Hz frekvencē un tiek noņemts ar iecirtuma filtru. Šie trīs komponenti vienlaikus darbojas, lai attīrītu EKG signālu un ļautu vieglāk interpretēt un diagnosticēt, un tie tiks modelēti LTspice, lai pārbaudītu to efektivitāti.

1. darbība. Instrumentu pastiprinātāja (INA) izveide

Pilna ierīces pirmā sastāvdaļa bija instrumentu pastiprinātājs (INA), kas var izmērīt mazus signālus, kas atrodami trokšņainā vidē. Šajā gadījumā tika veikts INA ar lielu pieaugumu (aptuveni 1 000), lai panāktu optimālus rezultātus. Tiek parādīta INA shēma ar attiecīgajām rezistoru vērtībām. Šīs INA pastiprinājumu var teorētiski aprēķināt, lai apstiprinātu, ka iestatīšana bija derīga un vai rezistora vērtības bija atbilstošas. Vienādojums (1) parāda vienādojumu, ko izmanto, lai aprēķinātu, ka teorētiskais pieaugums bija 1 000, kur R1 = R3, R4 = R5 un R6 = R7.

Vienādojums (1): Gain = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

2. darbība: joslas filtra izveide

Galvenais trokšņa avots ietver elektriskos signālus, kas izplatās caur ķermeni, tāpēc nozares standarts ir iekļaut joslas caurlaidības filtru ar robežfrekvencēm 0,5 Hz un 150 Hz, lai novērstu traucējumus no EKG. Šis filtrs sērijveidā izmantoja augstās un zemās caurlaidības filtrus, lai novērstu signālus ārpus šī frekvenču diapazona. Tiek parādīta šī filtra shēma ar attiecīgajām rezistora un kondensatora vērtībām. Precīzas rezistoru un kondensatoru vērtības tika atrastas, izmantojot formulu (2). Šo formulu izmantoja divas reizes, vienu augstās caurlaides izslēgšanas frekvencei 0,5 Hz un otru zemas caurlaides izslēgšanas frekvencei 150 Hz. Katrā gadījumā kondensatora vērtība tika iestatīta uz 1 μF, un tika aprēķināta rezistora vērtība.

2. vienādojums: R = 1 / (2 * pi * robežfrekvence * C)

3. darbība: izveidojiet iecirtuma filtru

Vēl viens izplatīts trokšņa avots, kas saistīts ar EKG, ir elektrolīnijas un citas elektroniskās iekārtas, taču tas tika novērsts ar iecirtuma filtru. Šajā filtrēšanas tehnikā paralēli tika izmantots augstās un zemās caurlaides filtrs, lai novērstu troksni īpaši pie 60 Hz. Parādīta iecirtuma filtra shēma ar attiecīgajām rezistora un kondensatora vērtībām. Precīzas rezistora un kondensatora vērtības tika noteiktas tā, lai R1 = R2 = 2R3 un C1 = 2C2 = 2C3. Pēc tam, lai nodrošinātu 60 Hz pārtraukuma frekvenci, R1 tika iestatīts uz 1 kΩ, un, lai atrastu C1 vērtību, tika izmantots vienādojums (3).

3. vienādojums: C = 1 / (4 * pi * robežfrekvence * R)

4. solis: pilnas sistēmas izveide

Visbeidzot, tika pārbaudīti visi trīs komponenti, lai pārliecinātos, ka visa ierīce darbojas pareizi. Īstenojot pilnu sistēmu, īpašo komponentu vērtības nemainījās, un simulācijas parametri ir iekļauti 4. attēlā. Katra daļa tika savienota virknē viens ar otru šādā secībā: INA, joslas caurlaidības filtrs un iecirtuma filtrs. Lai gan filtrus var nomainīt, INA jāpaliek kā pirmajai sastāvdaļai, lai pastiprināšana varētu notikt pirms jebkādas filtrēšanas.

5. darbība: katra komponenta pārbaude

Lai pārbaudītu šīs sistēmas derīgumu, vispirms tika pārbaudīta katra sastāvdaļa atsevišķi un pēc tam visa sistēma. Katram testam ievades signāls tika iestatīts tipiskā fizioloģisko signālu diapazonā (5 mV un 1 kHz), lai sistēma būtu pēc iespējas precīzāka. INA tika pabeigta maiņstrāvas slaucīšana un pārejoša analīze, lai palielinājumu varētu noteikt, izmantojot divas metodes (4. un 5. vienādojums). Abi filtri tika pārbaudīti, izmantojot maiņstrāvas slaucīšanu, lai nodrošinātu, ka robežfrekvences notiek vēlamajās vērtībās.

4. vienādojums: pastiprinājums = 10 ^ (dB / 20) 5. vienādojums: pastiprinājums = izejas spriegums / ieejas spriegums

Pirmais parādītais attēls ir INA maiņstrāvas slaucīšana, otrais un trešais ir INA pārejoša ieejas un izejas sprieguma analīze. Ceturtais ir joslas caurlaidības filtra maiņstrāva, bet piektais - iecirtuma filtra maiņstrāva.

6. darbība: pilnas sistēmas pārbaude

Visbeidzot, visa sistēma tika pārbaudīta ar maiņstrāvas slaucīšanu un pārejošu analīzi; tomēr šīs sistēmas ievade bija faktisks EKG signāls. Pirmajā attēlā parādīti maiņstrāvas slaucīšanas rezultāti, bet otrajā - pārejošas analīzes rezultāti. Katra līnija atbilst mērījumiem, kas veikti pēc katra komponenta: zaļš - INA, zils - joslas caurlaidības filtrs un sarkans iecirtuma filtrs. Pēdējais attēls pietuvina vienu konkrētu EKG viļņu, lai atvieglotu analīzi.

7. solis: pēdējās domas

Kopumā šī sistēma tika izstrādāta, lai uztvertu EKG signālu, to pastiprinātu un noņemtu nevēlamus trokšņus, lai to varētu viegli interpretēt. Visai sistēmai mērinstrumentu pastiprinātājs, joslas caurlaidības filtrs un iecirtuma filtrs tika izstrādāti, ņemot vērā īpašas konstrukcijas specifikācijas, lai sasniegtu mērķi. Pēc šo komponentu izstrādes LTspice tika veikta maiņstrāvas slaucīšanas un pārejošu analīžu kombinācija, lai pārbaudītu katra komponenta un visas sistēmas derīgumu. Šie testi parādīja, ka sistēmas vispārējais dizains ir derīgs un ka katrs komponents darbojas kā paredzēts.

Nākotnē šo sistēmu var pārveidot par fizisku ķēdi, lai pārbaudītu, kamēr notiek tiešie EKG dati. Šie testi būtu pēdējais solis, lai noteiktu, vai dizains ir derīgs. Kad sistēma ir pabeigta, to var pielāgot izmantošanai dažādās veselības aprūpes iestādēs un izmantot, lai palīdzētu ārstiem diagnosticēt un ārstēt sirds slimības.