Modelování signálu EKG v LTspice: 7 kroků

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2025-01-13 06:57

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)

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

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

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

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

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

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.