EKG jelmodellezés LTspice -ben: 7 lépés

2025 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2025-01-23 14:47

Az EKG egy nagyon gyakori módszer a szívben előforduló elektromos jelek mérésére. Ennek az eljárásnak az általános elképzelése szívproblémák, például aritmiák, koszorúér -betegség vagy szívrohamok megtalálása. Szükség lehet rá, ha a beteg olyan tüneteket tapasztal, mint a mellkasi fájdalom, légzési nehézség vagy egyenetlen szívverés, amit szívdobogásnak neveznek, de arra is használható, hogy biztosítsák a pacemakerek és más beültethető eszközök megfelelő működését. Az Egészségügyi Világszervezet adatai azt mutatják, hogy a szív- és érrendszeri betegségek a világon a legnagyobb halálokok; ezek a betegségek évente körülbelül 18 millió embert ölnek meg. Ezért hihetetlenül fontosak azok az eszközök, amelyek figyelemmel kísérhetik vagy felfedezhetik ezeket a betegségeket, ezért fejlesztették ki az EKG -t. Az EKG egy teljesen non-invazív orvosi vizsgálat, amely nem jelent kockázatot a betegre, kivéve az elektródák eltávolításakor jelentkező kisebb kellemetlenségeket.

Az ebben az utasításban bemutatott teljes eszköz több komponensből fog állni, amelyek a zajos EKG -jelet úgy manipulálják, hogy optimális eredményeket érjenek el. Az EKG felvételek jellemzően alacsony feszültségeken történnek, ezért ezeket a jeleket erősíteni kell, mielőtt az elemzés megtörténhet, ebben az esetben műszeres erősítővel. Ezenkívül a zaj nagyon hangsúlyos az EKG -felvételekben, ezért szűrni kell ezeket a jeleket. Ez az interferencia több helyről is származhat, ezért különböző megközelítéseket kell alkalmazni az egyes zajok eltávolítására. A fiziológiai jelek csak egy tipikus tartományban fordulnak elő, ezért sávszűrőt használnak a tartományon kívüli frekvenciák eltávolítására. Az EKG -jelben gyakori zajt tápvezeték -interferenciának neveznek, amely körülbelül 60 Hz -en jelentkezik, és egy bevágásos szűrővel távolítható el. Ez a három komponens egyidejűleg tisztítja az EKG -jelet, és lehetővé teszi a könnyebb értelmezést és diagnózist, és az LTspice -ben modellezik hatékonyságukat.

1. lépés: A műszeres erősítő (INA) építése

A teljes eszköz első összetevője egy műszeres erősítő (INA) volt, amely képes mérni a zajos környezetben található kis jeleket. Ebben az esetben az INA -t nagy nyereséggel (kb. 1000) készítették, hogy optimális eredményeket érjenek el. Az INA sematikus ábrája a hozzá tartozó ellenállási értékekkel látható. Ennek az INA -nak a nyeresége elméletileg kiszámítható annak megerősítésére, hogy a beállítás érvényes volt, és hogy az ellenállás értékei megfelelőek voltak. Az (1) egyenlet azt az egyenletet mutatja, amellyel kiszámították, hogy az elméleti nyereség 1000 volt, ahol R1 = R3, R4 = R5 és R6 = R7.

(1) egyenlet: Nyereség = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

2. lépés: A sávszűrő építése

A fő zajforrás magában foglalja a testen keresztül terjedő elektromos jeleket, így az iparági szabvány szerint 0,5 Hz és 150 Hz határfrekvenciájú sávszűrőt kell beépíteni az EKG torzításainak eltávolítására. Ez a szűrő soros felső és aluláteresztő szűrőt használt az ezen frekvenciatartományon kívül eső jelek kiküszöbölésére. Ennek a szűrőnek a vázlata a megfelelő ellenállás és kondenzátor értékekkel látható. Az ellenállások és kondenzátorok pontos értékeit a (2) egyenletben megadott képlet segítségével találtuk meg. Ezt a képletet kétszer használták, az egyik a 0,5 Hz -es, és a másik a 150 Hz -es aluláteresztési frekvencia. A kondenzátor értékét minden esetben 1 μF -ra állítottuk be, és kiszámítottuk az ellenállás értékét.

2. egyenlet: R = 1 / (2 * pi * levágási frekvencia * C)

3. lépés: A horonyszűrő építése

Az EKG -hez kapcsolódó másik gyakori zajforrást az elektromos vezetékek és más elektronikus berendezések okozzák, de egy bevágásos szűrővel megszüntették. Ez a szűrési technika párhuzamosan egy felül- és aluláteresztő szűrőt használt a zaj eltávolítására, kifejezetten 60 Hz -en. A hornyos szűrő sematikus ábrája a megfelelő ellenállás és kondenzátor értékekkel látható. A pontos ellenállás és kondenzátor értékeket úgy határoztuk meg, hogy R1 = R2 = 2R3 és C1 = 2C2 = 2C3. Ezután a 60 Hz -es határfrekvencia biztosítása érdekében az R1 -et 1 kΩ -ra állítottuk, és a (3) egyenletet használtuk a C1 értékének megkeresésére.

3. egyenlet: C = 1 / (4 * pi * levágási frekvencia * R)

4. lépés: A teljes rendszer kiépítése

Végül mindhárom komponenst teszteltük annak biztosítása érdekében, hogy a teljes eszköz megfelelően működjön. A specifikus komponens értékek nem változtak a teljes rendszer bevezetésekor, és a szimulációs paraméterek a 4. ábrán szerepelnek. Minden alkatrészt sorban kötöttek egymáshoz a következő sorrendben: INA, sávszűrő és bevágásszűrő. Bár a szűrőket fel lehet cserélni, az INA -nak maradnia kell az első komponensnek, hogy az erősítés megtörténhessen a szűrés előtt.

5. lépés: Az egyes összetevők tesztelése

A rendszer érvényességének teszteléséhez először minden komponenst külön -külön, majd az egész rendszert teszteltek. Minden egyes tesztnél a bemeneti jelet a fiziológiai jelek tipikus tartományán belülre (5 mV és 1 kHz) állították be, hogy a rendszer a lehető legpontosabb legyen. Változatos söprést és átmeneti elemzést végeztünk az INA számára, így az erősítést két módszerrel lehetett meghatározni ((4) és (5) egyenlet). A szűrőket mindkettőt váltakozó áramú sepréssel teszteltük annak biztosítása érdekében, hogy a határfrekvenciák a kívánt értékeken történjenek.

4. egyenlet: erősítés = 10 ^ (dB / 20) 5. egyenlet: erősítés = kimeneti feszültség / bemeneti feszültség

Az első kép az INA váltakozó áramú söprése, a második és a harmadik az INA bemeneti és kimeneti feszültségeinek átmeneti elemzése. A negyedik a sávszűrő váltóáramú, az ötödik pedig a bevágásos szűrő váltakozó áramú söprése.

6. lépés: A teljes rendszer tesztelése

Végül a teljes rendszert AC -sweep és tranziens elemzéssel teszteltük; ennek a rendszernek a bemenete azonban tényleges EKG -jel volt. A fenti első kép az AC sweep eredményeit mutatja, míg a második az átmeneti elemzés eredményeit. Minden sor egy -egy mérésnek felel meg az egyes komponensek után: zöld - INA, kék - sávszűrő és piros - bemetszéses szűrő. A végső kép egy adott EKG hullámra nagyít a könnyebb elemzés érdekében.

7. lépés: Utolsó gondolatok

Összességében ezt a rendszert úgy tervezték, hogy vegye fel az EKG jelet, erősítse fel és távolítsa el a nem kívánt zajt, hogy könnyen értelmezhető legyen. A teljes rendszerhez egy műszeres erősítőt, egy sávszűrőt és egy bemetsző szűrőt terveztek, a tervezés specifikációi szerint, a cél elérése érdekében. Ezen komponensek LTspice -ben történő megtervezése után váltakozó áramú sweep és átmeneti elemzések kombinációját hajtottuk végre az egyes komponensek és az egész rendszer érvényességének tesztelésére. Ezek a tesztek azt mutatták, hogy a rendszer átfogó tervezése érvényes, és minden alkatrész a várt módon működik.

A jövőben ez a rendszer átalakítható fizikai áramkörré, hogy tesztelje az élő EKG -adatokat. Ezek a tesztek jelentik az utolsó lépést annak megállapításában, hogy a terv érvényes -e. Miután elkészült, a rendszer adaptálható a különböző egészségügyi környezetekben való használatra, és segíthet az orvosoknak a szívbetegségek diagnosztizálásában és kezelésében.