Modelarea semnalului ECG în LTspice: 7 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:41

Un ECG este o metodă foarte comună de măsurare a semnalelor electrice care apar în inimă. Ideea generală a acestei proceduri este de a găsi probleme cardiace, cum ar fi aritmii, boli coronariene sau atacuri de cord. Poate fi necesar dacă pacientul se confruntă cu simptome precum dureri în piept, dificultăți de respirație sau bătăi neregulate ale inimii, numite palpitații, dar poate fi utilizat și pentru a se asigura că stimulatoarele cardiace și alte dispozitive implantabile funcționează corect. Datele de la Organizația Mondială a Sănătății arată că bolile cardiovasculare sunt cele mai mari cauze de deces la nivel global; aceste boli ucid aproximativ 18 milioane de oameni în fiecare an. Prin urmare, dispozitivele care pot monitoriza sau descoperi aceste boli sunt extrem de importante, motiv pentru care a fost dezvoltat ECG. ECG este un test medical complet neinvaziv care nu prezintă niciun risc pentru pacient, cu excepția unor disconforturi minore atunci când electrozii sunt îndepărtați.

Dispozitivul complet prezentat în acest instructable va consta din mai multe componente pentru a manipula semnalul ECG zgomotos, astfel încât să se poată obține rezultate optime. Înregistrările ECG apar la tensiuni de obicei joase, astfel încât aceste semnale ar trebui amplificate înainte ca analiza să poată avea loc, în acest caz cu un amplificator de instrumentație. De asemenea, zgomotul este foarte proeminent în înregistrările ECG, astfel încât filtrarea trebuie să aibă loc pentru a curăța aceste semnale. Această interferență poate proveni dintr-o varietate de locuri, deci trebuie abordate diferite abordări pentru a elimina zgomotele specifice. Semnalele fiziologice apar doar la un interval tipic, astfel încât un filtru bandpass este utilizat pentru a elimina orice frecvență în afara acestui interval. Un zgomot obișnuit într-un semnal ECG se numește interferență de linie de alimentare, care apare la aproximativ 60 Hz și este îndepărtat cu un filtru de notch. Aceste trei componente funcționează concomitent pentru a curăța un semnal ECG și pentru a permite interpretarea și diagnosticarea mai ușoare și vor fi modelate în LTspice pentru a le testa eficacitatea.

Pasul 1: Construirea amplificatorului de instrumentație (INA)

Prima componentă a dispozitivului complet a fost un amplificator de instrumentație (INA), care poate măsura semnale mici găsite în medii zgomotoase. În acest caz, a fost realizat un INA cu un câștig mare (în jur de 1 000) pentru a permite rezultate optime. Este prezentată o schemă a INA cu valorile respective ale rezistenței. Câștigul acestui INA poate fi calculat teoretic pentru a confirma că setarea a fost validă și că valorile rezistenței au fost adecvate. Ecuația (1) arată ecuația utilizată pentru a calcula că câștigul teoretic a fost 1 000, unde R1 = R3, R4 = R5 și R6 = R7.

Ecuația (1): Câștig = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Pasul 2: Construirea filtrului Bandpass

O sursă principală de zgomot include semnalele electrice care se propagă prin corp, astfel încât standardul industrial este să includă un filtru bandpass cu frecvențe de întrerupere de 0,5 Hz și 150 Hz pentru a elimina distorsiunile de la ECG. Acest filtru a folosit un filtru trece în sus și un filtru trece jos în serie pentru a elimina semnalele în afara acestui interval de frecvență. Este prezentată schema acestui filtru, cu rezistențele și valorile condensatorului respective. Valorile exacte ale rezistențelor și condensatoarelor au fost găsite folosind formula prezentată în ecuația (2). Această formulă a fost utilizată de două ori, una pentru frecvența de întrerupere a trecerii înalte de 0,5 Hz și una pentru frecvența de întrerupere a trecerii joase de 150 Hz. În fiecare caz, valoarea condensatorului a fost setată la 1 μF, iar valoarea rezistorului a fost calculată.

Ecuația 2: R = 1 / (2 * pi * Frecvență de tăiere * C)

Pasul 3: Construirea filtrului Notch

O altă sursă comună de zgomot asociată cu ECG este cauzată de liniile electrice și alte echipamente electronice, dar a fost eliminată cu un filtru cu crestături. Această tehnică de filtrare a folosit în paralel un filtru de trecere înaltă și un filtru de trecere joasă pentru a elimina zgomotul în mod specific la 60 Hz. Este prezentată schema filtrului de notch cu rezistența și valorile condensatorului respectiv. Valorile exacte ale rezistorului și ale condensatorului au fost determinate astfel încât R1 = R2 = 2R3 și C1 = 2C2 = 2C3. Apoi, pentru a asigura o frecvență de întrerupere de 60 Hz, R1 a fost setat la 1 kΩ, iar ecuația (3) a fost utilizată pentru a găsi valoarea lui C1.

Ecuația 3: C = 1 / (4 * pi * Frecvență de tăiere * R)

Pasul 4: Construirea sistemului complet

În cele din urmă, toate cele trei componente au fost testate combinat pentru a se asigura că întregul dispozitiv complet funcționează corect. Valorile componente specifice nu s-au modificat când a fost implementat sistemul complet, iar parametrii de simulare sunt incluși în Figura 4. Fiecare parte a fost conectată în serie una la cealaltă în următoarea ordine: INA, filtru bandpass și filtru de notch. În timp ce filtrele ar putea fi schimbate, INA ar trebui să rămână ca prima componentă, astfel încât amplificarea să poată avea loc înainte ca orice filtrare să aibă loc.

Pasul 5: Testarea fiecărei componente

Pentru a testa validitatea acestui sistem, fiecare componentă a fost testată mai întâi separat, apoi întregul sistem a fost testat. Pentru fiecare test, semnalul de intrare a fost setat să se încadreze într-un interval tipic de semnale fiziologice (5 mV și 1 kHz), astfel încât sistemul să poată fi cât mai precis posibil. S-au finalizat o analiză de curent alternativ și o analiză tranzitorie pentru INA, astfel încât câștigul să poată fi determinat folosind două metode (ecuațiile (4) și (5)). Filtrele au fost testate ambele folosind un curent alternativ pentru a se asigura că frecvențele de tăiere apar la valorile dorite.

Ecuația 4: Câștig = 10 ^ (dB / 20) Ecuația 5: Câștig = Tensiune de ieșire / Tensiune de intrare

Prima imagine afișată este curentul alternativ al INA, a doua și a treia sunt analiza tranzitorie a INA pentru tensiunile de intrare și ieșire. Al patrulea este măturarea în curent alternativ a filtrului de bandă, iar al cincilea este măturarea în curent alternativ a filtrului cu crestături.

Pasul 6: Testarea sistemului complet

În cele din urmă, sistemul complet a fost testat cu o analiză de curent alternativ și tranzitorie; cu toate acestea, intrarea în acest sistem a fost un semnal ECG real. Prima imagine de mai sus arată rezultatele măturării de curent alternativ, în timp ce a doua arată rezultatele analizei tranzitorii. Fiecare linie corespunde unei măsurători luate după fiecare componentă: verde - INA, albastru - filtru bandpass și filtru roșu - crestătură. Imaginea finală se apropie de o anumită undă ECG pentru o analiză mai ușoară.

Pasul 7: Gânduri finale

Per ansamblu, acest sistem a fost conceput să preia un semnal ECG, să îl amplifice și să elimine orice zgomot nedorit, astfel încât să poată fi interpretat cu ușurință. Pentru sistemul complet, un amplificator de instrumentație, un filtru bandpass și un filtru cu crestături au fost proiectate având în vedere specificațiile de proiectare specifice pentru a atinge obiectivul. După proiectarea acestor componente în LTspice, s-au efectuat o combinație de analize de curgere alternativă și tranzitorii pentru a testa validitatea fiecărei componente și a întregului sistem. Aceste teste au arătat că proiectarea generală a sistemului a fost validă și că fiecare componentă a funcționat conform așteptărilor.

În viitor, acest sistem poate fi convertit într-un circuit fizic pentru a testa în timp ce datele ECG sunt în direct. Aceste teste ar fi ultimul pas în determinarea validității proiectului. Odată finalizat, sistemul poate fi adaptat pentru a fi utilizat în diverse setări de asistență medicală și poate fi utilizat pentru a ajuta clinicienii să diagnosticheze și să trateze bolile de inimă.