EKG signalo modeliavimas „LTspice“: 7 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:44

EKG yra labai dažnas širdies elektrinių signalų matavimo metodas. Bendra šios procedūros idėja yra rasti širdies problemų, tokių kaip aritmija, vainikinių arterijų liga ar širdies priepuoliai. Tai gali prireikti, jei pacientui pasireiškia tokie simptomai kaip krūtinės skausmas, pasunkėjęs kvėpavimas ar netolygus širdies plakimas, vadinamas širdies plakimu, tačiau jis taip pat gali būti naudojamas siekiant užtikrinti, kad širdies stimuliatoriai ir kiti implantuojami prietaisai tinkamai veiktų. Pasaulio sveikatos organizacijos duomenys rodo, kad su širdies ir kraujagyslių ligomis susijusios ligos yra didžiausios mirties priežastys visame pasaulyje; šios ligos kasmet nužudo apie 18 milijonų žmonių. Todėl prietaisai, galintys stebėti ar atrasti šias ligas, yra nepaprastai svarbūs, todėl buvo sukurta EKG. EKG yra visiškai neinvazinis medicininis tyrimas, kuris nekelia pavojaus pacientui, išskyrus nedidelį diskomfortą pašalinus elektrodus.

Visą prietaisą, aprašytą šioje instrukcijoje, sudarys keli komponentai, skirti manipuliuoti triukšmingu EKG signalu, kad būtų pasiekti optimalūs rezultatai. EKG įrašai paprastai būna esant žemai įtampai, todėl šie signalai turėtų būti sustiprinti prieš atliekant analizę, šiuo atveju naudojant prietaisų stiprintuvą. Be to, EKG įrašuose triukšmas yra labai ryškus, todėl norint išvalyti šiuos signalus reikia atlikti filtravimą. Šis trikdymas gali kilti iš įvairių vietų, todėl norint pašalinti konkrečius triukšmus, reikia taikyti skirtingus metodus. Fiziologiniai signalai atsiranda tik įprastame diapazone, todėl juostos pralaidumo filtras naudojamas pašalinti bet kokius už šio diapazono esančius dažnius. Dažnas EKG signalo triukšmas vadinamas elektros linijos trukdžiu, kuris atsiranda maždaug 60 Hz dažniu ir pašalinamas įpjovos filtru. Šie trys komponentai vienu metu valo EKG signalą, leidžia lengviau interpretuoti ir diagnozuoti, ir bus modeliuojami „LTspice“, kad būtų galima patikrinti jų veiksmingumą.

1 žingsnis: Instrumentų stiprintuvo (INA) kūrimas

Pirmasis viso įrenginio komponentas buvo prietaisų stiprintuvas (INA), galintis išmatuoti mažus signalus, esančius triukšmingoje aplinkoje. Šiuo atveju buvo sukurtas didelis INA (apie 1 000), kad būtų pasiekti optimalūs rezultatai. Parodyta INA schema su atitinkamomis rezistorių reikšmėmis. Teoriškai galima apskaičiuoti šio INA padidėjimą, kad patvirtintumėte, jog sąranka buvo teisinga ir ar rezistoriaus vertės buvo tinkamos. (1) lygtis rodo lygtį, naudojamą apskaičiuojant, kad teorinis padidėjimas buvo 1 000, kur R1 = R3, R4 = R5 ir R6 = R7.

(1) lygtis: padidėjimas = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

2 žingsnis: sukurkite pralaidumo filtrą

Pagrindinis triukšmo šaltinis yra elektriniai signalai, sklindantys per kūną, todėl pramonės standartas yra įtraukti dažnių juostos filtrą, kurio išjungimo dažnis yra 0,5 Hz ir 150 Hz, kad pašalintų EKG iškraipymus. Šis filtras nuosekliai naudojo aukšto ir žemo dažnio filtrus, kad pašalintų signalus už šio dažnių diapazono ribų. Parodyta šio filtro schema su atitinkamomis rezistorių ir kondensatorių reikšmėmis. Tikslios rezistorių ir kondensatorių vertės buvo rastos naudojant formulę (2). Ši formulė buvo naudojama du kartus, viena - 0,5 Hz aukšto dažnio išjungimo dažniui, o kita - žemo dažnio 150 Hz. Kiekvienu atveju kondensatoriaus vertė buvo nustatyta 1 μF, o rezistoriaus vertė apskaičiuota.

2 lygtis: R = 1 / (2 * pi * ribinis dažnis * C)

3 žingsnis: Įpjovos filtro kūrimas

Kitas dažnas triukšmo, susijusio su EKG, šaltinis yra elektros linijos ir kita elektroninė įranga, tačiau buvo pašalintas naudojant išpjovos filtrą. Ši filtravimo technika lygiagrečiai panaudojo aukšto ir žemo dažnio filtrą, kad būtų pašalintas triukšmas būtent 60 Hz dažniu. Parodyta išpjovos filtro schema su atitinkamomis rezistorių ir kondensatorių reikšmėmis. Tikslios rezistoriaus ir kondensatoriaus vertės buvo nustatytos taip, kad R1 = R2 = 2R3 ir C1 = 2C2 = 2C3. Tada, norint užtikrinti 60 Hz ribinį dažnį, R1 buvo nustatytas į 1 kΩ, o (3) lygtis buvo naudojama norint rasti C1 vertę.

3 lygtis: C = 1 / (4 * pi * ribinis dažnis * R)

4 žingsnis: sukurkite visą sistemą

Galiausiai buvo išbandyti visi trys komponentai, siekiant užtikrinti, kad visas visas įrenginys veiktų tinkamai. Įdiegus visą sistemą, konkrečių komponentų vertės nepasikeitė, o modeliavimo parametrai yra 4 paveiksle. Kiekviena dalis buvo nuosekliai sujungta viena su kita tokia tvarka: INA, pralaidumo filtras ir išpjovos filtras. Nors filtrai gali būti keičiami, INA turėtų likti kaip pirmasis komponentas, kad būtų galima sustiprinti prieš filtruojant.

5 žingsnis: kiekvieno komponento bandymas

Siekiant patikrinti šios sistemos pagrįstumą, kiekvienas komponentas pirmiausia buvo išbandytas atskirai, o po to - visa sistema. Kiekvieno bandymo metu įvesties signalas buvo nustatytas įprastame fiziologinių signalų diapazone (5 mV ir 1 kHz), kad sistema būtų kuo tikslesnė. INA buvo atliktas kintamosios srovės valymas ir trumpalaikė analizė, kad padidėjimą būtų galima nustatyti dviem metodais ((4) ir (5) lygtys). Abu filtrai buvo išbandyti naudojant kintamosios srovės siurblį, siekiant užtikrinti, kad išjungimo dažnis būtų pasiektas norimomis vertėmis.

4 lygtis: padidėjimas = 10 ^ (dB / 20) 5 lygtis: padidėjimas = išėjimo įtampa / įėjimo įtampa

Pirmasis rodomas vaizdas yra INA kintamosios srovės šlifavimas, antrasis ir trečiasis yra laikina INA analizė, skirta įėjimo ir išėjimo įtampai. Ketvirtasis yra dažnių juostos filtro kintamosios srovės šlifavimas, o penktasis - išpjovos filtro kintamosios srovės valymas.

6 veiksmas: visos sistemos testavimas

Galiausiai, visa sistema buvo išbandyta naudojant kintamosios srovės šlifavimą ir trumpalaikę analizę; tačiau įėjimas į šią sistemą buvo tikras EKG signalas. Pirmame paveikslėlyje aukščiau rodomi kintamosios srovės valymo rezultatai, o antrame - trumpalaikės analizės rezultatai. Kiekviena eilutė atitinka matavimą po kiekvieno komponento: žalia - INA, mėlyna - pralaidumo filtras ir raudona įpjova. Galutinis vaizdas padidina vieną konkrečią EKG bangą, kad būtų lengviau analizuoti.

7 žingsnis: paskutinės mintys

Apskritai ši sistema buvo sukurta priimti EKG signalą, jį sustiprinti ir pašalinti bet kokį nepageidaujamą triukšmą, kad jį būtų galima lengvai interpretuoti. Visai sistemai buvo sukurtas prietaisų stiprintuvas, pralaidumo filtras ir išpjovos filtras, atsižvelgiant į konkrečias dizaino specifikacijas, kad būtų pasiektas tikslas. Sukūrus šiuos komponentus „LTspice“, buvo atliktas kintamosios srovės valymo ir trumpalaikių analizių derinys, siekiant patikrinti kiekvieno komponento ir visos sistemos pagrįstumą. Šie bandymai parodė, kad bendras sistemos dizainas buvo teisingas ir kad kiekvienas komponentas veikė taip, kaip tikėtasi.

Ateityje šią sistemą galima paversti fizine grandine, kad būtų galima patikrinti, kol veikia EKG duomenys. Šie bandymai būtų paskutinis žingsnis nustatant, ar dizainas tinkamas. Užbaigus sistemą galima pritaikyti ją naudoti įvairiose sveikatos priežiūros įstaigose ir padėti gydytojams diagnozuoti ir gydyti širdies ligas.