Modelimi i sinjalit të EKG -së në LTspice: 7 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:10

Një EKG është një metodë shumë e zakonshme për të matur sinjalet elektrike që ndodhin në zemër. Ideja e përgjithshme e kësaj procedure është gjetja e problemeve të zemrës, të tilla si aritmitë, sëmundjet e arterieve koronare ose sulmet në zemër. Mund të jetë e nevojshme nëse pacienti po përjeton simptoma si dhimbje gjoksi, vështirësi në frymëmarrje ose rrahje të pabarabarta të zemrës të quajtura palpitacione, por gjithashtu mund të përdoret për të siguruar që stimuluesit kardiakë dhe pajisjet e tjera të implantueshme po funksionojnë siç duhet. Të dhënat nga Organizata Botërore e Shëndetit tregojnë se sëmundjet kardiovaskulare janë shkaktarët më të mëdhenj të vdekjeve në nivel global; këto sëmundje vrasin afërsisht 18 milionë njerëz çdo vit. Prandaj, pajisjet që mund të monitorojnë ose zbulojnë këto sëmundje janë tepër të rëndësishme, kjo është arsyeja pse u zhvillua EKG. EKG është një test mjekësor krejtësisht jo invaziv që nuk paraqet rrezik për pacientin, me përjashtim të ndonjë shqetësimi të vogël kur hiqen elektrodat.

Pajisja e plotë e përshkruar në këtë udhëzues do të përbëhet nga disa përbërës për të manipuluar sinjalin e zhurmshëm të EKG -së në mënyrë që të merren rezultate optimale. Regjistrimet EKG ndodhin në tensione zakonisht të ulëta, kështu që këto sinjale duhet të amplifikohen para se të ndodhë analiza, në këtë rast me një përforcues instrumentesh. Gjithashtu, zhurma është shumë e spikatur në regjistrimet EKG, kështu që filtrimi duhet të ndodhë për të pastruar këto sinjale. Kjo ndërhyrje mund të vijë nga vende të ndryshme, kështu që duhet të merren qasje të ndryshme për të hequr zhurmat specifike. Sinjalet fiziologjike ndodhin vetëm në një gamë tipike, kështu që një filtër i brezit përdoret për të hequr çdo frekuencë jashtë këtij diapazoni. Një zhurmë e zakonshme në një sinjal EKG quhet ndërhyrje në linjën e energjisë, e cila ndodh në afërsisht 60 Hz dhe hiqet me një filtër të nivelit. Këta tre përbërës punojnë njëkohësisht për të pastruar një sinjal EKG dhe lejojnë interpretim dhe diagnoza më të lehtë dhe do të modelohen në LTspice për të testuar efikasitetin e tyre.

Hapi 1: Ndërtimi i Amplifikatorit të Instrumentacionit (INA)

Komponenti i parë i pajisjes së plotë ishte një përforcues instrumentesh (INA), i cili mund të masë sinjalet e vogla që gjenden në mjedise të zhurmshme. Në këtë rast, një INA u bë me një fitim të lartë (rreth 1, 000) për të lejuar rezultate optimale. Tregohet një skemë e INA me vlerat përkatëse të rezistencës së saj. Fitimi i këtij INA mund të llogaritet teorikisht për të konfirmuar se konfigurimi ishte i vlefshëm dhe se vlerat e rezistencës ishin të përshtatshme. Ekuacioni (1) tregon ekuacionin e përdorur për të llogaritur se fitimi teorik ishte 1, 000, ku R1 = R3, R4 = R5, dhe R6 = R7.

Ekuacioni (1): Fitimi = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Hapi 2: Ndërtimi i Filtrit Bandpass

Një burim kryesor i zhurmës përfshin sinjalet elektrike që përhapen nëpër trup, kështu që standardi i industrisë është të përfshijë një filtër me brez me frekuenca ndërprerje prej 0.5 Hz dhe 150 Hz për të hequr shtrembërimet nga EKG. Ky filtër përdori një filtër me kalim të lartë dhe një kalim të ulët në seri për të eleminuar sinjalet jashtë këtij diapazoni të frekuencës. Tregohet skema e këtij filtri me rezistencën dhe kondensatorin përkatës. Vlerat e sakta të rezistorëve dhe kondensatorëve u gjetën duke përdorur formulën e treguar në Ekuacionin (2). Kjo formulë u përdor dy herë, një për frekuencën e lartë të ndërprerjes së kalimit prej 0.5 Hz dhe një për frekuencën e ndërprerjes së kalimit të ulët prej 150 Hz. Në secilin rast, vlera e kondensatorit u vendos në 1 μF, dhe vlera e rezistencës u llogarit.

Ekuacioni 2: R = 1 / (2 * pi * Frekuenca e ndërprerjes * C)

Hapi 3: Ndërtimi i filtrit të nivelit

Një burim tjetër i zakonshëm i zhurmës i lidhur me EKG është shkaktuar nga linjat e energjisë dhe pajisjet e tjera elektronike, por u eliminua me një filtër të nivelit. Kjo teknikë filtrimi përdori një filtër të lartë dhe një kalim të ulët paralelisht për të hequr zhurmën veçanërisht në 60 Hz. Tregohet skema e filtrit të nivelit me rezistencën përkatëse dhe vlerat e kondensatorit. Vlerat e sakta të rezistencës dhe kondensatorit u përcaktuan të tilla që R1 = R2 = 2R3 dhe C1 = 2C2 = 2C3. Pastaj, për të siguruar një frekuencë ndërprerëse prej 60 Hz, R1 u vendos në 1 kΩ, dhe ekuacioni (3) u përdor për të gjetur vlerën e C1.

Ekuacioni 3: C = 1 / (4 * pi * Frekuenca e ndërprerjes * R)

Hapi 4: Ndërtimi i një sistemi të plotë

Së fundi, të tre komponentët u testuan së bashku për të siguruar që e gjithë pajisja e plotë të funksiononte siç duhet. Vlerat specifike të komponentit nuk ndryshuan kur u zbatua sistemi i plotë, dhe parametrat e simulimit janë përfshirë në Figurën 4. Secila pjesë ishte e lidhur në seri me njëra -tjetrën në rendin e mëposhtëm: INA, filtri i brezit dhe filtri i nivelit. Ndërsa filtrat mund të ndërrohen, INA duhet të mbetet si përbërësi i parë, në mënyrë që amplifikimi të ndodhë para se të bëhet çdo filtrim.

Hapi 5: Testimi i secilit komponent

Për të testuar vlefshmërinë e këtij sistemi, secili komponent fillimisht u testua veçmas, dhe më pas u testua i gjithë sistemi. Për secilin test, sinjali i hyrjes ishte vendosur të ishte brenda një game tipike të sinjaleve fiziologjike (5 mV dhe 1 kHz), në mënyrë që sistemi të ishte sa më i saktë. Një spastrim AC dhe analiza kalimtare u përfunduan për INA, në mënyrë që fitimi të mund të përcaktohej duke përdorur dy metoda (Ekuacionet (4) dhe (5)). Filtrat u testuan të dy duke përdorur një spastrim AC për të siguruar që frekuencat e ndërprerjes të ndodhin në vlerat e dëshiruara.

Ekuacioni 4: Fitimi = 10 ^ (dB / 20) Ekuacioni 5: Fitimi = Tensioni i daljes / Tensioni i hyrjes

Imazhi i parë i treguar është fshirja AC e INA, e dyta dhe e treta janë analiza kalimtare e INA për tensionet hyrëse dhe dalëse. E katërta është spastrimi AC i filtrit të brezit, dhe i pesti është spastrimi AC i filtrit të nivelit.

Hapi 6: Testimi i sistemit të plotë

Së fundi, sistemi i plotë u testua me një spastrim AC dhe analizë kalimtare; megjithatë, hyrja në këtë sistem ishte një sinjal aktual EKG. Imazhi i parë më sipër tregon rezultatet e spastrimit AC, ndërsa i dyti tregon rezultatet e analizës kalimtare. Çdo rresht korrespondon me një matje që merret pas secilit komponent: jeshile - INA, blu - filtër me bandë dhe filtër me nivel të kuq. Imazhi përfundimtar zmadhon një valë të veçantë EKG për analiza më të lehta.

Hapi 7: Mendimet përfundimtare

Në përgjithësi, ky sistem u krijua për të marrë një sinjal EKG, për ta përforcuar atë dhe për të hequr çdo zhurmë të padëshiruar në mënyrë që të mund të interpretohet lehtë. Për sistemin e plotë, një përforcues instrumentesh, një filtër me bandë dhe një filtër të nivelit u krijuan duke pasur parasysh specifikimet e veçanta të projektimit për të arritur objektivin. Pas hartimit të këtyre përbërësve në LTspice, një kombinim i analizave të spastrimit AC dhe kalimtarëve u kryen për të testuar vlefshmërinë e secilit komponent dhe të të gjithë sistemit. Këto teste treguan se dizajni i përgjithshëm i sistemit ishte i vlefshëm dhe se secili komponent funksiononte siç pritej.

Në të ardhmen, ky sistem mund të shndërrohet në një qark fizik për të provuar ndërsa të dhënat e EKG -së janë të gjalla. Këto teste do të ishin hapi i fundit në përcaktimin nëse dizajni është i vlefshëm. Pasi të përfundojë, sistemi mund të përshtatet për t'u përdorur në mjedise të ndryshme të kujdesit shëndetësor dhe të përdoret për të ndihmuar klinicistët të diagnostikojnë dhe trajtojnë sëmundjet e zemrës.