Innehållsförteckning:

EKG -signalmodellering i LTspice: 7 steg
EKG -signalmodellering i LTspice: 7 steg

Video: EKG -signalmodellering i LTspice: 7 steg

Video: EKG -signalmodellering i LTspice: 7 steg
Video: LTspice: Начало работы. Параметризация схемы 2024, November
Anonim
EKG -signalmodellering i LTspice
EKG -signalmodellering i LTspice

Ett EKG är en mycket vanlig metod för att mäta elektriska signaler som uppstår i hjärtat. Den allmänna idén med detta förfarande är att hitta hjärtproblem, såsom arytmier, kranskärlssjukdom eller hjärtinfarkt. Det kan vara nödvändigt om patienten upplever symtom som bröstsmärta, andningssvårigheter eller ojämna hjärtslag som kallas hjärtklappning, men kan också användas för att säkerställa att pacemaker och andra implanterbara enheter fungerar korrekt. Data från Världshälsoorganisationen visar att hjärt-kärlrelaterade sjukdomar är de största dödsorsakerna globalt; dessa sjukdomar dödar cirka 18 miljoner människor varje år. Därför är enheter som kan övervaka eller upptäcka dessa sjukdomar otroligt viktiga, varför EKG utvecklades. EKG är ett helt icke-invasivt medicinskt test som inte utgör någon risk för patienten, med undantag för mindre obehag när elektroderna tas bort.

Hela enheten som beskrivs i denna instruktion kommer att bestå av flera komponenter för att manipulera den bullriga EKG -signalen så att optimala resultat kan uppnås. EKG -inspelningar sker vid vanligtvis låga spänningar, så dessa signaler bör förstärkas innan analys kan ske, i detta fall med en instrumentförstärkare. Brus är också mycket framträdande i EKG -inspelningar, så filtrering måste ske för att rengöra dessa signaler. Denna störning kan komma från en mängd olika platser, så olika tillvägagångssätt måste vidtas för att ta bort specifika ljud. Fysiologiska signaler förekommer bara vid ett typiskt område, så ett bandpassfilter används för att ta bort alla frekvenser utanför detta område. Ett vanligt brus i en EKG -signal kallas kraftledningstörning, som inträffar vid cirka 60 Hz och tas bort med ett hackfilter. Dessa tre komponenter arbetar samtidigt för att rengöra en EKG -signal och möjliggör enklare tolkning och diagnoser och kommer att modelleras i LTspice för att testa deras effekt.

Steg 1: Bygga instrumentförstärkaren (INA)

Bygga instrumentförstärkaren (INA)
Bygga instrumentförstärkaren (INA)

Den första komponenten i hela enheten var en instrumentationsförstärkare (INA), som kan mäta små signaler som finns i bullriga miljöer. I detta fall gjordes en INA med en hög förstärkning (cirka 1 000) för att möjliggöra optimala resultat. En schematisk bild av INA med dess respektive motståndsvärden visas. Förstärkningen av denna INA kan beräknas teoretiskt för att bekräfta att inställningen var giltig och att motståndsvärdena var lämpliga. Ekvation (1) visar ekvationen som används för att beräkna att den teoretiska förstärkningen var 1 000, där R1 = R3, R4 = R5 och R6 = R7.

Ekvation (1): Förstärkning = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Steg 2: Bygg bandpassfiltret

Bygga bandpassfiltret
Bygga bandpassfiltret

En huvudbruskälla inkluderar elektriska signaler som sprider sig genom kroppen, så industristandarden är att inkludera ett bandpassfilter med avstängningsfrekvenser på 0,5 Hz och 150 Hz för att avlägsna störningarna från EKG. Detta filter använde ett högpass och ett lågpassfilter i serie för att eliminera signaler utanför detta frekvensområde. Schemat över detta filter med dess respektive motstånd och kondensatorvärden visas. De exakta värdena för motstånden och kondensatorerna hittades med hjälp av formeln som visas i ekvation (2). Denna formel användes två gånger, en för högfrekvensavstängningsfrekvensen på 0,5 Hz och en för lågpassfrekvensen på 150 Hz. I varje fall sattes kondensatorvärdet till 1 μF och motståndsvärdet beräknades.

Ekvation 2: R = 1 / (2 * pi * Cutoff Frequency * C)

Steg 3: Bygg notch -filtret

Bygga Notch Filter
Bygga Notch Filter

En annan vanlig bullerkälla i samband med EKG orsakas av kraftledningar och annan elektronisk utrustning men eliminerades med ett hackfilter. Denna filtreringsteknik använde ett högpass och ett lågpassfilter parallellt för att avlägsna bruset specifikt vid 60 Hz. Schemat över hackfilteret med dess respektive motstånd och kondensatorvärden visas. De exakta motstånds- och kondensatorvärdena bestämdes så att R1 = R2 = 2R3 och C1 = 2C2 = 2C3. För att säkerställa en gränsfrekvens på 60 Hz, sattes R1 till 1 kΩ och ekvation (3) användes för att hitta värdet av C1.

Ekvation 3: C = 1 / (4 * pi * Cutoff Frequency * R)

Steg 4: Bygg hela systemet

Bygga hela systemet
Bygga hela systemet

Slutligen testades alla tre komponenterna för att säkerställa att hela enheten fungerade korrekt. De specifika komponentvärdena ändrades inte när hela systemet implementerades och simuleringsparametrarna ingår i figur 4. Varje del kopplades i serie till varandra i följande ordning: INA, bandpassfilter och hackfilter. Även om filtren kan bytas ut, bör INA vara kvar som den första komponenten, så att förstärkning kan ske innan någon filtrering skulle äga rum.

Steg 5: Testa varje komponent

Testar varje komponent
Testar varje komponent
Testar varje komponent
Testar varje komponent
Testar varje komponent
Testar varje komponent

För att testa detta systems giltighet testades varje komponent först separat och sedan testades hela systemet. För varje test var insignalen inställd på att ligga inom ett typiskt område av fysiologiska signaler (5 mV och 1 kHz), så att systemet kunde vara så exakt som möjligt. En AC -svepning och övergående analys genomfördes för INA, så att förstärkningen kunde bestämmas med två metoder (ekvationer (4) och (5)). Filtren testades båda med ett AC -svep för att säkerställa att avstängningsfrekvenserna uppträder vid önskade värden.

Ekvation 4: Gain = 10 ^ (dB / 20) Ekvation 5: Gain = Output Voltage / Input Voltage

Den första bilden som visas är AC -svepningen för INA, den andra och den tredje är den övergående analysen av INA för in- och utspänningarna. Den fjärde är AC -svepningen av bandpassfiltret, och den femte är AC -svepet för hackfilteret.

Steg 6: Testa hela systemet

Testar hela systemet
Testar hela systemet
Testar hela systemet
Testar hela systemet
Testar hela systemet
Testar hela systemet

Slutligen testades hela systemet med en AC -svepning och transient analys; emellertid var ingången till detta system en verklig EKG -signal. Den första bilden ovan visar resultaten av AC -svepet, medan den andra visar resultaten från den övergående analysen. Varje rad motsvarar en mätning som görs efter varje komponent: grönt - INA, blå - bandpassfilter och rödfilter. Den sista bilden zoomar in på en viss EKG -våg för enklare analys.

Steg 7: Slutliga tankar

Sammantaget var detta system utformat för att ta in en EKG -signal, förstärka den och ta bort oönskat brus så att det lätt kan tolkas. För hela systemet utformades en instrumentförstärkare, ett bandpassfilter och ett hackfilter med särskilda designspecifikationer för att uppnå målet. Efter att ha konstruerat dessa komponenter i LTspice genomfördes en kombination av AC -svepning och transienta analyser för att testa giltigheten av varje komponent och av hela systemet. Dessa tester visade att den övergripande konstruktionen av systemet var giltig och att varje komponent fungerade som förväntat.

I framtiden kan detta system konverteras till en fysisk krets för att testa medan EKG -data lever. Dessa tester skulle vara det sista steget för att avgöra om konstruktionen är giltig. När systemet är klart kan det anpassas för att användas i olika vårdinställningar och användas för att hjälpa kliniker att diagnostisera och behandla hjärtsjukdomar.

Rekommenderad: