Obsah:

Modelování signálu EKG v LTspice: 7 kroků
Modelování signálu EKG v LTspice: 7 kroků

Video: Modelování signálu EKG v LTspice: 7 kroků

Video: Modelování signálu EKG v LTspice: 7 kroků
Video: Interpretace EKG pro začátečníky: Část 1 🔥🤯 2024, Listopad
Anonim
Modelování signálu EKG v LTspice
Modelování signálu EKG v LTspice

EKG je velmi běžnou metodou pro měření elektrických signálů, které se vyskytují v srdci. Obecnou myšlenkou tohoto postupu je nalezení srdečních problémů, jako jsou arytmie, ischemická choroba srdeční nebo srdeční infarkt. Může být nutné, pokud má pacient příznaky jako bolest na hrudi, potíže s dýcháním nebo nerovnoměrné srdeční tepny nazývané palpitace, ale může být také použit k zajištění správné funkce kardiostimulátorů a jiných implantovatelných zařízení. Údaje Světové zdravotnické organizace ukazují, že kardiovaskulární choroby jsou celosvětově největšími příčinami úmrtí; tyto nemoci zabijí přibližně 18 milionů lidí ročně. Proto jsou zařízení, která mohou sledovat nebo objevovat tato onemocnění, neuvěřitelně důležitá, a proto bylo vyvinuto EKG. EKG je zcela neinvazivní lékařský test, který pro pacienta nepředstavuje žádné riziko, s výjimkou drobného nepohodlí při vyjímání elektrod.

Celé zařízení popsané v tomto pokynu se bude skládat z několika komponent pro manipulaci s hlučným signálem EKG, aby bylo možné dosáhnout optimálních výsledků. Záznamy EKG se vyskytují při typicky nízkém napětí, takže tyto signály by měly být zesíleny, než může dojít k analýze, v tomto případě pomocí přístrojového zesilovače. V záznamech EKG je také velmi výrazný šum, takže k vyčištění těchto signálů musí dojít k filtrování. Toto rušení může pocházet z různých míst, takže je třeba k odstranění konkrétních zvuků použít různé přístupy. Fyziologické signály se vyskytují pouze v typickém rozsahu, takže k odstranění všech frekvencí mimo tento rozsah se používá pásmový filtr. Běžný šum v signálu EKG se nazývá interference elektrického vedení, ke kterému dochází přibližně při 60 Hz a je odstraněn zářezovým filtrem. Tyto tři komponenty pracují souběžně na čištění signálu EKG a umožňují snadnější interpretaci a diagnostiku a budou modelovány v LTspice k testování jejich účinnosti.

Krok 1: Sestavení přístrojového zesilovače (INA)

Budování zesilovače přístrojů (INA)
Budování zesilovače přístrojů (INA)

První komponentou celého zařízení byl přístrojový zesilovač (INA), který dokáže měřit malé signály nacházející se v hlučném prostředí. V tomto případě byla provedena INA s vysokým ziskem (kolem 1 000), aby bylo možné dosáhnout optimálních výsledků. Je ukázáno schéma INA s příslušnými hodnotami odporu. Zisk této INA lze vypočítat teoreticky, aby se potvrdilo, že nastavení bylo platné a že hodnoty odporu byly vhodné. Rovnice (1) ukazuje rovnici použitou k výpočtu, že teoretický zisk byl 1 000, kde R1 = R3, R4 = R5 a R6 = R7.

Rovnice (1): Zisk = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Krok 2: Budování Bandpass filtru

Budování Bandpass filtru
Budování Bandpass filtru

Hlavním zdrojem šumu jsou elektrické signály šířící se tělem, takže průmyslovým standardem je zahrnout pásmový filtr s mezními frekvencemi 0,5 Hz a 150 Hz pro odstranění zkreslení z EKG. Tento filtr používal v sérii horní a dolní propust k odstranění signálů mimo tento frekvenční rozsah. Je ukázáno schéma tohoto filtru s příslušnými hodnotami odporu a kondenzátoru. Přesné hodnoty rezistorů a kondenzátorů byly nalezeny pomocí vzorce uvedeného v rovnici (2). Tento vzorec byl použit dvakrát, jeden pro mezní frekvenci horního průchodu 0,5 Hz a jeden pro dolní mezní frekvenci 150 Hz. V každém případě byla hodnota kondenzátoru nastavena na 1 μF a byla vypočítána hodnota odporu.

Rovnice 2: R = 1 / (2 * pi * mezní frekvence * C)

Krok 3: Sestavení filtru Notch

Sestavení filtru Notch
Sestavení filtru Notch

Další běžný zdroj hluku spojený s EKG je způsoben elektrickými vedeními a jinými elektronickými zařízeními, ale byl odstraněn pomocí zářezového filtru. Tato filtrační technika využívala paralelně horní a dolní propust k odstranění šumu konkrétně při 60 Hz. Je ukázáno schéma zářezového filtru s příslušnými hodnotami odporu a kondenzátoru. Přesné hodnoty odporu a kondenzátoru byly stanoveny tak, že R1 = R2 = 2R3 a C1 = 2C2 = 2C3. Poté, aby byla zajištěna mezní frekvence 60 Hz, byla R1 nastavena na 1 kΩ a pro nalezení hodnoty C1 byla použita rovnice (3).

Rovnice 3: C = 1 / (4 * pi * mezní frekvence * R)

Krok 4: Budování úplného systému

Budování celého systému
Budování celého systému

Nakonec byly všechny tři komponenty testovány, aby bylo zajištěno správné fungování celého zařízení. Hodnoty konkrétních komponent se nezměnily, když byl implementován celý systém, a parametry simulace jsou uvedeny na obrázku 4. Každá část byla navzájem spojena v sérii v následujícím pořadí: INA, pásmový filtr a zářezový filtr. Zatímco filtry lze zaměňovat, INA by měla zůstat jako první komponenta, aby k zesílení mohlo dojít dříve, než by došlo k filtrování.

Krok 5: Testování každé součásti

Testování každé součásti
Testování každé součásti
Testování každé součásti
Testování každé součásti
Testování každé součásti
Testování každé součásti

K otestování platnosti tohoto systému byla nejprve testována každá komponenta samostatně a poté byl testován celý systém. Pro každý test byl vstupní signál nastaven tak, aby byl v typickém rozsahu fyziologických signálů (5 mV a 1 kHz), aby byl systém co nejpřesnější. Pro INA byla dokončena AC rozmítání a přechodová analýza, takže zisk mohl být určen pomocí dvou metod (rovnice (4) a (5)). Oba filtry byly testovány pomocí AC rozmítání, aby se zajistilo, že mezní frekvence se vyskytují na požadovaných hodnotách.

Rovnice 4: Zisk = 10 ^ (dB / 20) Rovnice 5: Zisk = výstupní napětí / vstupní napětí

První zobrazený obrázek je AC rozmítání INA, druhý a třetí jsou přechodová analýza INA pro vstupní a výstupní napětí. Čtvrtý je AC rozmítání pásmového filtru a pátý je AC rozmítání zářezového filtru.

Krok 6: Testování celého systému

Testování celého systému
Testování celého systému
Testování celého systému
Testování celého systému
Testování celého systému
Testování celého systému

Nakonec byl celý systém testován pomocí AC rozmítání a přechodové analýzy; vstupem do tohoto systému byl však skutečný signál EKG. První obrázek výše ukazuje výsledky AC rozmítání, zatímco druhý ukazuje výsledky přechodové analýzy. Každý řádek odpovídá měření prováděnému po každé složce: zelená - INA, modrá - pásmový filtr a červený - zářezový filtr. Konečný obraz přiblíží jednu konkrétní vlnu EKG pro snazší analýzu.

Krok 7: Závěrečné myšlenky

Celkově byl tento systém navržen tak, aby přijímal signál EKG, zesiloval jej a odstraňoval nežádoucí šum, aby jej bylo možné snadno interpretovat. Pro celý systém byl pro dosažení cíle navržen přístrojový zesilovač, pásmový filtr a zářezový filtr. Po návrhu těchto komponent v LTspice byla provedena kombinace AC rozmítání a přechodových analýz, aby byla testována platnost každé komponenty a celého systému. Tyto testy ukázaly, že celkový návrh systému byl platný a že každá součást fungovala podle očekávání.

V budoucnu lze tento systém převést na fyzický obvod a testovat tak aktuální data EKG. Tyto testy by byly posledním krokem při určování, zda je návrh platný. Jakmile je systém dokončen, lze jej upravit tak, aby jej bylo možné používat v různých zdravotnických zařízeních, a pomoci klinickým lékařům diagnostikovat a léčit srdeční choroby.

Doporučuje: