EKG signaali modelleerimine LTspice'is: 7 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:45

EKG on väga levinud meetod südames esinevate elektriliste signaalide mõõtmiseks. Selle protseduuri üldine idee on leida südameprobleeme, nagu arütmia, koronaararterite haigus või südameatakk. See võib osutuda vajalikuks, kui patsiendil tekivad sellised sümptomid nagu valu rinnus, hingamisraskused või ebaühtlased südamelöögid, mida nimetatakse südamepekslemiseks, kuid seda saab kasutada ka südamestimulaatorite ja muude siirdatavate seadmete nõuetekohase toimimise tagamiseks. Maailma Terviseorganisatsiooni andmed näitavad, et südame-veresoonkonna haigused on ülemaailmselt suurimad surmapõhjused; need haigused tapavad igal aastal ligikaudu 18 miljonit inimest. Seetõttu on seadmed, mis suudavad neid haigusi jälgida või avastada, uskumatult olulised, mistõttu töötati välja EKG. EKG on täiesti mitteinvasiivne meditsiiniline test, mis ei kujuta patsiendile mingit ohtu, välja arvatud mõned väikesed ebamugavused elektroodide eemaldamisel.

Selles juhendis kirjeldatud seade koosneb mitmest komponendist mürarikka EKG signaali manipuleerimiseks, et saavutada optimaalsed tulemused. EKG salvestused toimuvad tavaliselt madalatel pingetel, seega tuleks neid signaale enne analüüsi toimumist võimendada, antud juhul mõõteriistade võimendiga. Samuti on müra EKG salvestustes väga silmatorkav, nii et nende signaalide puhastamiseks peab toimuma filtreerimine. See häire võib pärineda mitmest kohast, seega tuleb spetsiifiliste helide eemaldamiseks kasutada erinevaid lähenemisviise. Füsioloogilised signaalid esinevad ainult tüüpilises vahemikus, seega kasutatakse ribalaiuse filtrit kõigi sellest vahemikust välja jäävate sageduste eemaldamiseks. Tavalist müra EKG signaalis nimetatakse elektriliini häireks, mis esineb umbes 60 Hz juures ja eemaldatakse sälkfiltriga. Need kolm komponenti töötavad samaaegselt EKG signaali puhastamiseks ning võimaldavad lihtsamat tõlgendamist ja diagnoosimist ning neid modelleeritakse LTspice'is, et testida nende tõhusust.

1. samm: mõõteriistade võimendi (INA) ehitamine

Kogu seadme esimene komponent oli mõõteriistade võimendi (INA), mis suudab mõõta mürarikkas keskkonnas leiduvaid väikesi signaale. Sel juhul tehti INA suure võimendusega (umbes 1 000), et saavutada optimaalsed tulemused. Näidatud on INA skeem koos vastavate takistite väärtustega. Selle INA võimenduse saab teoreetiliselt arvutada, et kinnitada, et seadistus oli kehtiv ja takisti väärtused olid sobivad. Võrrand (1) näitab võrrandit, mida kasutati arvutamiseks, et teoreetiline võimendus oli 1000, kus R1 = R3, R4 = R5 ja R6 = R7.

Võrrand (1): võimendus = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

2. samm: ribalaiuse filtri ehitamine

Peamiseks müraallikaks on kehas levivad elektrisignaalid, seega on tööstusstandardiks EKG moonutuste kõrvaldamiseks ribalaiuse filtri lisamine, mille piirsagedused on 0,5 Hz ja 150 Hz. See filter kasutas järjestikku kõrg- ja madalpääsfiltrit, et kõrvaldada signaalid väljaspool seda sagedusvahemikku. Selle filtri skeem koos vastavate takistite ja kondensaatorite väärtustega on näidatud. Takistite ja kondensaatorite täpsed väärtused leiti võrrandis (2) esitatud valemi abil. Seda valemit kasutati kaks korda, üks üleminekupiirangu sageduse 0,5 Hz ja teine madalpääsu 150 Hz sageduse jaoks. Igal juhul määrati kondensaatori väärtus 1 μF ja arvutati takisti väärtus.

Võrrand 2: R = 1 / (2 * pi * katkestussagedus * C)

3. samm: sälgufiltri ehitamine

Teine levinud müraallikas, mis on seotud EKG -ga, on põhjustatud elektriliinidest ja muudest elektroonikaseadmetest, kuid kõrvaldati sälkfiltriga. See filtreerimistehnika kasutas müra eemaldamiseks spetsiifiliselt 60 Hz juures paralleelselt kõrg- ja madalpääsfiltrit. Näidatud on sälgufiltri skemaatiline joonistus koos vastavate takistite ja kondensaatorite väärtustega. Takisti ja kondensaatori täpsed väärtused määrati nii, et R1 = R2 = 2R3 ja C1 = 2C2 = 2C3. Seejärel, et tagada 60 Hz piirsagedus, seati R1 väärtuseks 1 kΩ ja C1 väärtuse leidmiseks kasutati võrrandit (3).

Võrrand 3: C = 1 / (4 * pi * katkestussagedus * R)

4. samm: täissüsteemi loomine

Lõpuks testiti kõiki kolme komponenti, et tagada kogu seadme täielik toimimine. Konkreetsete komponentide väärtused ei muutunud kogu süsteemi rakendamisel ja simulatsiooni parameetrid on esitatud joonisel 4. Iga osa ühendati üksteisega järjestikku järgmises järjekorras: INA, ribalaiuse filter ja sälgufilter. Kuigi filtreid saab vahetada, peaks INA jääma esimeseks komponendiks, nii et võimendus võib toimuda enne filtreerimist.

Samm: iga komponendi testimine

Selle süsteemi kehtivuse kontrollimiseks testiti kõigepealt iga komponenti eraldi ja seejärel kogu süsteemi. Iga katse jaoks seati sisendsignaal tüüpilisse füsioloogiliste signaalide vahemikku (5 mV ja 1 kHz), et süsteem saaks olla võimalikult täpne. INA jaoks viidi lõpule vahelduvpinge ja mööduv analüüs, nii et võimendust saab määrata kahe meetodi abil (võrrandid (4) ja (5)). Mõlemat filtrit testiti vahelduvvooluga, et tagada piirsageduste soovitud väärtuste saavutamine.

Võrrand 4: võimendus = 10 ^ (dB / 20) Võrrand 5: võimendus = väljundpinge / sisendpinge

Esimene näidatud pilt on INA vahelduvvoolu pühkimine, teine ja kolmas on sisend- ja väljundpinge INA mööduv analüüs. Neljas on ribalaiuse filtri vahelduvvool ja viies sälkfiltri vahelduvvool.

6. samm: täissüsteemi testimine

Lõpuks testiti kogu süsteemi vahelduvvoolu pühkimise ja mööduva analüüsi abil; selle süsteemi sisendiks oli aga tegelik EKG signaal. Ülaltoodud esimene pilt näitab vahelduvvoolu pühkimise tulemusi, teine aga ajutise analüüsi tulemusi. Iga rida vastab mõõtmisele pärast iga komponenti: roheline - INA, sinine - ribalaiuse filter ja punane - sälguga filter. Lõplik pilt suumib ühele konkreetsele EKG lainele, et seda oleks lihtsam analüüsida.

7. samm: lõplikud mõtted

Üldiselt oli see süsteem mõeldud EKG signaali vastuvõtmiseks, selle võimendamiseks ja soovimatu müra eemaldamiseks, et seda oleks lihtne tõlgendada. Kogu süsteemi jaoks kavandati mõõteriistade võimendi, ribapääsfilter ja sälkfilter, mille eesmärgi saavutamiseks olid antud konkreetsed konstruktsioonilised spetsifikatsioonid. Pärast nende komponentide kavandamist LTspice'is viidi iga komponendi ja kogu süsteemi kehtivuse kontrollimiseks läbi vahelduvvoolu ja mööduvate analüüside kombinatsioon. Need testid näitasid, et süsteemi üldine ülesehitus oli kehtiv ja iga komponent töötas ootuspäraselt.

Tulevikus saab selle süsteemi teisendada füüsiliseks vooluringiks, et testida reaalajas EKG andmeid. Need testid oleksid viimane samm disaini kehtivuse kindlakstegemisel. Kui süsteem on valmis, saab seda kohandada kasutamiseks erinevates tervishoiuasutustes ja kasutada arstide abistamiseks südamehaiguste diagnoosimisel ja ravimisel.