Μοντελοποίηση σημάτων ΗΚΓ σε LTspice: 7 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:31

Το ΗΚΓ είναι μια πολύ συνηθισμένη μέθοδος για τη μέτρηση των ηλεκτρικών σημάτων που εμφανίζονται στην καρδιά. Η γενική ιδέα αυτής της διαδικασίας είναι να βρεθούν καρδιακά προβλήματα, όπως αρρυθμίες, στεφανιαία νόσος ή καρδιακές προσβολές. Μπορεί να είναι απαραίτητο εάν ο ασθενής αντιμετωπίζει συμπτώματα όπως πόνο στο στήθος, δυσκολία στην αναπνοή ή ανομοιόμορφους καρδιακούς παλμούς που ονομάζονται αίσθημα παλμών, αλλά μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να διασφαλιστεί ότι οι βηματοδότες και άλλες εμφυτεύσιμες συσκευές λειτουργούν σωστά. Τα δεδομένα από τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας δείχνουν ότι οι καρδιαγγειακές ασθένειες είναι οι μεγαλύτερες αιτίες θανάτου παγκοσμίως. Αυτές οι ασθένειες σκοτώνουν περίπου 18 εκατομμύρια ανθρώπους κάθε χρόνο. Επομένως, οι συσκευές που μπορούν να παρακολουθούν ή να ανακαλύπτουν αυτές τις ασθένειες είναι απίστευτα σημαντικές, γι 'αυτό και αναπτύχθηκε το ΗΚΓ. Το ΗΚΓ είναι μια εντελώς μη επεμβατική ιατρική εξέταση που δεν αποτελεί κίνδυνο για τον ασθενή, εκτός από κάποια μικρή ενόχληση όταν αφαιρούνται τα ηλεκτρόδια.

Η πλήρης συσκευή που περιγράφεται σε αυτό το εγχειρίδιο θα αποτελείται από πολλά εξαρτήματα για τον χειρισμό του θορυβώδους σήματος ΗΚΓ έτσι ώστε να μπορούν να επιτευχθούν τα βέλτιστα αποτελέσματα. Οι εγγραφές ΗΚΓ συμβαίνουν σε τυπικά χαμηλές τάσεις, επομένως αυτά τα σήματα θα πρέπει να ενισχυθούν πριν από την ανάλυση, σε αυτή την περίπτωση με ενισχυτή οργάνων. Επίσης, ο θόρυβος είναι πολύ εμφανής στις εγγραφές ΗΚΓ, οπότε πρέπει να γίνει φιλτράρισμα για να καθαριστούν αυτά τα σήματα. Αυτή η παρέμβαση μπορεί να προέλθει από διάφορα μέρη, επομένως πρέπει να ακολουθηθούν διαφορετικές προσεγγίσεις για την απομάκρυνση συγκεκριμένων θορύβων. Τα φυσιολογικά σήματα εμφανίζονται μόνο σε ένα τυπικό εύρος, οπότε ένα φίλτρο διέλευσης ζώνης χρησιμοποιείται για την αφαίρεση τυχόν συχνοτήτων εκτός αυτού του εύρους. Ένας κοινός θόρυβος σε ένα σήμα ΗΚΓ ονομάζεται παρεμβολή στη γραμμή ισχύος, η οποία εμφανίζεται στα 60 Hz περίπου και αφαιρείται με ένα φίλτρο εγκοπής. Αυτά τα τρία συστατικά λειτουργούν ταυτόχρονα για να καθαρίσουν ένα σήμα ΗΚΓ και να επιτρέψουν ευκολότερη ερμηνεία και διαγνώσεις και θα διαμορφωθούν στο LTspice για να ελέγξουν την αποτελεσματικότητά τους.

Βήμα 1: Δημιουργία του ενισχυτή οργάνων (INA)

Το πρώτο συστατικό της πλήρους συσκευής ήταν ένας ενισχυτής οργάνων (INA), ο οποίος μπορεί να μετρήσει μικρά σήματα που βρίσκονται σε θορυβώδη περιβάλλοντα. Σε αυτή την περίπτωση, έγινε ένα INA με υψηλό κέρδος (περίπου 1, 000) για να επιτραπεί το βέλτιστο αποτέλεσμα. Εμφανίζεται ένα σχηματικό σχήμα του INA με τις αντίστοιχες τιμές αντίστασης. Το κέρδος αυτού του INA μπορεί να υπολογιστεί θεωρητικά για να επιβεβαιώσει ότι η ρύθμιση ήταν έγκυρη και ότι οι τιμές αντίστασης ήταν κατάλληλες. Η εξίσωση (1) δείχνει την εξίσωση που χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό ότι το θεωρητικό κέρδος ήταν 1, 000, όπου R1 = R3, R4 = R5 και R6 = R7.

Εξίσωση (1): Κέρδος = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Βήμα 2: Δημιουργία του φίλτρου Bandpass

Μια κύρια πηγή θορύβου περιλαμβάνει ηλεκτρικά σήματα που διαδίδονται στο σώμα, οπότε το βιομηχανικό πρότυπο είναι να περιλαμβάνει ένα φίλτρο ζώνης με συχνότητες διακοπής 0,5 Hz και 150 Hz για να αφαιρέσετε τις παραμορφώσεις από το ΗΚΓ. Αυτό το φίλτρο χρησιμοποίησε ένα φίλτρο υψηλής διέλευσης και ένα χαμηλό πέρασμα σε σειρά για την εξάλειψη σημάτων εκτός αυτού του εύρους συχνοτήτων. Εμφανίζεται το σχηματικό σχήμα αυτού του φίλτρου με τις αντίστοιχες τιμές αντίστασης και πυκνωτή. Οι ακριβείς τιμές των αντιστάσεων και των πυκνωτών βρέθηκαν χρησιμοποιώντας τον τύπο που φαίνεται στην εξίσωση (2). Αυτός ο τύπος χρησιμοποιήθηκε δύο φορές, μία για τη συχνότητα διακοπής υψηλής διέλευσης 0,5 Hz και μία για τη συχνότητα διακοπής χαμηλής διέλευσης 150 Hz. Σε κάθε περίπτωση, η τιμή του πυκνωτή ορίστηκε σε 1 μF και υπολογίστηκε η τιμή της αντίστασης.

Εξίσωση 2: R = 1 / (2 * pi * Συχνότητα διακοπής * C)

Βήμα 3: Δημιουργία του φίλτρου εγκοπών

Μια άλλη κοινή πηγή θορύβου που σχετίζεται με το ΗΚΓ προκαλείται από γραμμές ρεύματος και άλλο ηλεκτρονικό εξοπλισμό, αλλά εξαλείφθηκε με ένα φίλτρο εγκοπών. Αυτή η τεχνική φιλτραρίσματος χρησιμοποίησε ένα φίλτρο υψηλής διέλευσης και ένα χαμηλό πέρασμα παράλληλα για να αφαιρέσει τον θόρυβο ειδικά στα 60 Hz. Εμφανίζεται το σχηματικό σχήμα του φίλτρου εγκοπής με τις αντίστοιχες τιμές αντίστασης και πυκνωτή. Οι ακριβείς τιμές αντίστασης και πυκνωτή προσδιορίστηκαν έτσι ώστε R1 = R2 = 2R3 και C1 = 2C2 = 2C3. Στη συνέχεια, για να διασφαλιστεί η συχνότητα διακοπής των 60 Hz, το R1 ορίστηκε σε 1 kΩ και η εξίσωση (3) χρησιμοποιήθηκε για να βρεθεί η τιμή του C1.

Εξίσωση 3: C = 1 / (4 * pi * Συχνότητα διακοπής * R)

Βήμα 4: Δημιουργία του πλήρους συστήματος

Τέλος, και τα τρία εξαρτήματα δοκιμάστηκαν συνδυαστικά για να διασφαλιστεί ότι ολόκληρη η πλήρης συσκευή λειτουργούσε σωστά. Οι συγκεκριμένες τιμές συστατικών δεν άλλαξαν όταν εφαρμόστηκε το πλήρες σύστημα και οι παράμετροι προσομοίωσης περιλαμβάνονται στο σχήμα 4. Κάθε τμήμα συνδέθηκε σε σειρά μεταξύ τους με την ακόλουθη σειρά: INA, φίλτρο ζώνης και φίλτρο εγκοπών. Ενώ τα φίλτρα θα μπορούσαν να εναλλάσσονται, το INA θα πρέπει να παραμένει ως το πρώτο συστατικό, έτσι ώστε να μπορεί να πραγματοποιηθεί ενίσχυση πριν από το φιλτράρισμα.

Βήμα 5: Δοκιμή κάθε στοιχείου

Για να ελεγχθεί η εγκυρότητα αυτού του συστήματος, κάθε στοιχείο δοκιμάστηκε πρώτα ξεχωριστά και στη συνέχεια δοκιμάστηκε ολόκληρο το σύστημα. Για κάθε δοκιμή, το σήμα εισόδου ορίστηκε να είναι εντός ενός τυπικού εύρους φυσιολογικών σημάτων (5 mV και 1 kHz), έτσι ώστε το σύστημα να είναι όσο το δυνατόν ακριβέστερο. Ολοκληρώθηκε μια σάρωση εναλλασσόμενου ρεύματος και μια παροδική ανάλυση για το INA, έτσι ώστε το κέρδος να μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας δύο μεθόδους (εξισώσεις (4) και (5)). Τα φίλτρα δοκιμάστηκαν και τα δύο χρησιμοποιώντας σάρωση AC για να διασφαλιστεί ότι οι συχνότητες διακοπής εμφανίζονται στις επιθυμητές τιμές.

Εξίσωση 4: Κέρδος = 10 ^ (dB / 20) Εξίσωση 5: Κέρδος = Τάση εξόδου / Τάση εισόδου

Η πρώτη εικόνα που εμφανίζεται είναι η σάρωση AC του INA, η δεύτερη και η τρίτη είναι η παροδική ανάλυση του INA για τις τάσεις εισόδου και εξόδου. Το τέταρτο είναι το σάρωμα AC του φίλτρου bandpass και το πέμπτο είναι το σάρωμα AC του φίλτρου εγκοπών.

Βήμα 6: Δοκιμή του πλήρους συστήματος

Τέλος, το πλήρες σύστημα δοκιμάστηκε με σάρωση εναλλασσόμενου ρεύματος και παροδική ανάλυση. Ωστόσο, η είσοδος σε αυτό το σύστημα ήταν ένα πραγματικό σήμα ΗΚΓ. Η πρώτη εικόνα παραπάνω δείχνει τα αποτελέσματα της σάρωσης AC, ενώ η δεύτερη τα αποτελέσματα της παροδικής ανάλυσης. Κάθε γραμμή αντιστοιχεί σε μια μέτρηση που λαμβάνεται μετά από κάθε στοιχείο: πράσινο - INA, μπλε - φίλτρο bandpass και κόκκινο φίλτρο εγκοπής. Η τελική εικόνα μεγεθύνει σε ένα συγκεκριμένο κύμα ΗΚΓ για ευκολότερη ανάλυση.

Βήμα 7: Τελικές σκέψεις

Συνολικά, αυτό το σύστημα σχεδιάστηκε για να λαμβάνει ένα σήμα ΗΚΓ, να το ενισχύει και να αφαιρεί τυχόν ανεπιθύμητο θόρυβο, έτσι ώστε να μπορεί εύκολα να ερμηνευτεί. Για το πλήρες σύστημα, ένας ενισχυτής οργάνων, ένα φίλτρο bandpass και ένα φίλτρο εγκοπών σχεδιάστηκαν με συγκεκριμένες προδιαγραφές σχεδιασμού για την επίτευξη του στόχου. Μετά τον σχεδιασμό αυτών των συστατικών στο LTspice, πραγματοποιήθηκε συνδυασμός αναλύσεων σάρωσης εναλλασσόμενου ρεύματος και παροδικών αναλύσεων για τον έλεγχο της εγκυρότητας κάθε στοιχείου και ολόκληρου του συστήματος. Αυτές οι δοκιμές έδειξαν ότι ο συνολικός σχεδιασμός του συστήματος ήταν έγκυρος και ότι κάθε στοιχείο λειτουργούσε όπως αναμενόταν.

Στο μέλλον, αυτό το σύστημα μπορεί να μετατραπεί σε φυσικό κύκλωμα για δοκιμή ενώ υπάρχουν ζωντανά δεδομένα ΗΚΓ. Αυτές οι δοκιμές θα ήταν το τελευταίο βήμα για να καθοριστεί εάν ο σχεδιασμός είναι έγκυρος. Μόλις ολοκληρωθεί, το σύστημα μπορεί να προσαρμοστεί ώστε να χρησιμοποιείται σε διάφορα περιβάλλοντα υγειονομικής περίθαλψης και να χρησιμοποιείται για να βοηθήσει τους κλινικούς ιατρούς να διαγνώσουν και να θεραπεύσουν καρδιακές παθήσεις.