EKG -signalmodellering i LTspice: 7 trinn

2025 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2025-01-13 06:58

EKG er en veldig vanlig metode for å måle elektriske signaler som oppstår i hjertet. Den generelle ideen med denne prosedyren er å finne hjerteproblemer, for eksempel arytmier, koronarsykdom eller hjerteinfarkt. Det kan være nødvendig hvis pasienten opplever symptomer som brystsmerter, pustevansker eller ujevne hjerteslag som kalles hjertebank, men kan også brukes til å sikre at pacemakere og andre implanterbare enheter fungerer som de skal. Data fra Verdens helseorganisasjon viser at kardiovaskulære sykdommer er de største dødsårsakene globalt; disse sykdommene dreper omtrent 18 millioner mennesker hvert år. Derfor er enheter som kan overvåke eller oppdage disse sykdommene utrolig viktige, og derfor ble EKG utviklet. EKG er en fullstendig ikke-invasiv medisinsk test som ikke utgjør noen risiko for pasienten, bortsett fra noe mindre ubehag når elektrodene fjernes.

Hele enheten som er beskrevet i denne instruksen vil bestå av flere komponenter for å manipulere det støyende EKG -signalet slik at optimale resultater kan oppnås. EKG -opptak forekommer ved vanligvis lave spenninger, så disse signalene bør forsterkes før analyse kan skje, i dette tilfellet med en instrumenteringsforsterker. Støy er også veldig fremtredende i EKG -opptak, så det må filtreres for å rense disse signalene. Denne forstyrrelsen kan komme fra en rekke steder, så det må tas forskjellige tilnærminger for å fjerne spesifikke lyder. Fysiologiske signaler forekommer bare på et typisk område, så et båndpassfilter brukes til å fjerne eventuelle frekvenser utenfor dette området. En vanlig støy i et EKG -signal kalles strømlinjeinterferens, som oppstår ved omtrent 60 Hz og fjernes med et hakkfilter. Disse tre komponentene fungerer samtidig for å rense et EKG -signal og muliggjør lettere tolkning og diagnoser og vil bli modellert i LTspice for å teste effekten.

Trinn 1: Bygg instrumentforsterkeren (INA)

Den første komponenten i hele enheten var en instrumenteringsforsterker (INA), som kan måle små signaler som finnes i støyende miljøer. I dette tilfellet ble det laget en INA med høy forsterkning (rundt 1 000) for å gi optimale resultater. En skjematisk oversikt over INA med sine respektive motstandsverdier er vist. Gevinsten ved denne INA kan teoretisk beregnes for å bekrefte at oppsettet var gyldig og at motstandsverdiene var passende. Ligning (1) viser ligningen som brukes til å beregne at den teoretiske gevinsten var 1 000, hvor R1 = R3, R4 = R5 og R6 = R7.

Ligning (1): Gevinst = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Trinn 2: Bygg båndpassfilteret

En hovedkilde for støy inkluderer elektriske signaler som forplanter seg gjennom kroppen, så bransjestandarden er å inkludere et båndpassfilter med cutoff -frekvenser på 0,5 Hz og 150 Hz for å fjerne forvrengninger fra EKG. Dette filteret brukte et høypass- og lavpassfilter i serie for å eliminere signaler utenfor dette frekvensområdet. Skjematikken til dette filteret med sine respektive motstands- og kondensatorverdier er vist. De eksakte verdiene til motstandene og kondensatorene ble funnet ved å bruke formelen vist i ligning (2). Denne formelen ble brukt to ganger, en for høypass -cutoff -frekvensen på 0,5 Hz og en for lavpass -cutoff -frekvensen på 150 Hz. I hvert tilfelle ble kondensatorverdien satt til 1 μF, og motstandsverdien ble beregnet.

Ligning 2: R = 1 / (2 * pi * Cutoff Frequency * C)

Trinn 3: Bygg hakkfilteret

En annen vanlig kilde til støy assosiert med EKG er forårsaket av kraftledninger og annet elektronisk utstyr, men ble eliminert med et hakkfilter. Denne filtreringsteknikken benyttet et høypass og et lavpassfilter parallelt for å fjerne støyen spesielt ved 60 Hz. Skjematikken til hakkfilteret med sine respektive motstands- og kondensatorverdier er vist. De eksakte motstands- og kondensatorverdiene ble bestemt slik at R1 = R2 = 2R3 og C1 = 2C2 = 2C3. For å sikre en grensefrekvens på 60 Hz ble R1 satt til 1 kΩ, og ligning (3) ble brukt for å finne verdien av C1.

Ligning 3: C = 1 / (4 * pi * Cutoff Frequency * R)

Trinn 4: Bygg hele systemet

Til slutt ble alle tre komponentene kombinert testet for å sikre at hele enheten fungerte som den skal. De spesifikke komponentverdiene endret seg ikke da hele systemet ble implementert, og simuleringsparametrene er inkludert i figur 4. Hver del ble koblet i serie til hverandre i følgende rekkefølge: INA, båndpassfilter og hakkfilter. Selv om filtrene kan byttes ut, bør INA forbli som den første komponenten, slik at forsterkning kan skje før noen filtrering vil finne sted.

Trinn 5: Testing av hver komponent

For å teste gyldigheten av dette systemet ble hver komponent først testet separat, og deretter ble hele systemet testet. For hver test ble inngangssignalet satt til å være innenfor et typisk område av fysiologiske signaler (5 mV og 1 kHz), slik at systemet kunne være så nøyaktig som mulig. En AC -feie og forbigående analyse ble fullført for INA, slik at gevinsten kunne bestemmes ved hjelp av to metoder (ligninger (4) og (5)). Filtrene ble begge testet ved hjelp av en AC -feier for å sikre at cutoff -frekvensene forekommer ved de ønskede verdiene.

Ligning 4: Gain = 10 ^ (dB / 20) Ligning 5: Gain = Utgangsspenning / inngangsspenning

Det første bildet som vises er AC -feiingen av INA, det andre og tredje er den forbigående analysen av INA for inngangs- og utgangsspenningene. Den fjerde er AC -feiingen av båndpassfilteret, og den femte er AC -feien til hakkfilteret.

Trinn 6: Testing av hele systemet

Til slutt ble hele systemet testet med en AC -feiing og forbigående analyse; Inngangen til dette systemet var imidlertid et faktisk EKG -signal. Det første bildet ovenfor viser resultatene av vekselstrømmen, mens det andre viser resultatene av den forbigående analysen. Hver linje tilsvarer en måling etter hver komponent: grønt - INA, blått - båndpassfilter og rødt hakkfilter. Det siste bildet zoomer inn på en bestemt EKG -bølge for lettere analyse.

Trinn 7: Avsluttende tanker

Totalt sett var dette systemet designet for å ta inn et EKG -signal, forsterke det og fjerne uønsket støy slik at det lett kan tolkes. For hele systemet ble en instrumenteringsforsterker, et båndpassfilter og et hakkfilter designet med spesielle designspesifikasjoner for å nå målet. Etter å ha designet disse komponentene i LTspice, ble det utført en kombinasjon av AC -feie og forbigående analyser for å teste gyldigheten av hver komponent og av hele systemet. Disse testene viste at den generelle utformingen av systemet var gyldig og at hver komponent fungerte som forventet.

I fremtiden kan dette systemet konverteres til en fysisk krets for å teste mens EKG -data er levende. Disse testene ville være det siste trinnet for å avgjøre om designet er gyldig. Når det er fullført, kan systemet tilpasses til bruk i ulike helseinstitusjoner og brukes til å hjelpe klinikere med å diagnostisere og behandle hjertesykdommer.