EKG -seinmodellering in LTspice: 7 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:23

'N EKG is 'n baie algemene metode om elektriese seine wat in die hart voorkom, te meet. Die algemene idee van hierdie prosedure is om hartprobleme, soos aritmieë, kransslagadersiekte of hartaanvalle, op te spoor. Dit kan nodig wees as die pasiënt simptome ervaar soos pyn op die bors, asemhalingsprobleme of ongelyke hartklop wat hartkloppings genoem word, maar kan ook gebruik word om te verseker dat pasaangeërs en ander inplantbare toestelle behoorlik funksioneer. Gegewens van die Wêreldgesondheidsorganisasie toon aan dat kardiovaskulêre verwante siektes wêreldwyd die grootste oorsake van dood is; hierdie siektes maak jaarliks ongeveer 18 miljoen mense dood. Daarom is toestelle wat hierdie siektes kan monitor of ontdek ongelooflik belangrik, daarom is die EKG ontwikkel. Die EKG is 'n heeltemal nie-indringende mediese toets wat geen risiko vir die pasiënt inhou nie, behalwe vir geringe ongemak wanneer die elektrodes verwyder word.

Die volledige toestel wat in hierdie instruksie uiteengesit word, sal bestaan uit verskeie komponente om die raserige EKG -sein te manipuleer sodat optimale resultate verkry kan word. EKG -opnames vind plaas by tipies lae spannings, dus hierdie seine moet versterk word voordat analise kan plaasvind, in hierdie geval met 'n instrumentasie versterker. Ruis is ook baie prominent in EKG -opnames, dus moet gefiltreer word om hierdie seine skoon te maak. Hierdie inmenging kan op verskillende plekke kom, daarom moet verskillende benaderings gevolg word om spesifieke geluide te verwyder. Fisiologiese seine kom slegs op 'n tipiese gebied voor, dus word 'n banddeurlaatfilter gebruik om enige frekwensies buite hierdie reeks te verwyder. 'N Algemene geraas in 'n EKG -sein word kraglyninterferensie genoem, wat ongeveer 60 Hz voorkom en met 'n kerffilter verwyder word. Hierdie drie komponente werk gelyktydig om 'n EKG -sein skoon te maak, maak dit makliker om te interpreteer en te diagnoseer, en word in LTspice gemodelleer om die doeltreffendheid daarvan te toets.

Stap 1: Bou die instrumentasie versterker (INA)

Die eerste komponent van die volledige toestel was 'n instrumentasie versterker (INA), wat klein seine kan meet wat in raserige omgewings voorkom. In hierdie geval is 'n INA gemaak met 'n hoë wins (ongeveer 1 000) om optimale resultate moontlik te maak. 'N Skema van die INA met sy onderskeie weerstandswaardes word getoon. Die wins van hierdie INA kan teoreties bereken word om te bevestig dat die opstelling geldig was en dat die weerstandswaardes gepas was. Vergelyking (1) toon die vergelyking wat gebruik word om te bereken dat die teoretiese wins 1 000 was, waar R1 = R3, R4 = R5 en R6 = R7.

Vergelyking (1): Wins = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Stap 2: Bou die bandpass -filter

'N Belangrike bron van geraas is elektriese seine wat deur die liggaam versprei, en die industriestandaard is om 'n banddeurlaatfilter met afsnyprekwensies van 0,5 Hz en 150 Hz in te sluit om die verwringings van die EKG te verwyder. Hierdie filter gebruik 'n hoëpas- en 'n laagdeurlaatfilter in serie om seine buite hierdie frekwensiebereik uit te skakel. Die skema van hierdie filter met die onderskeie weerstands- en kapasitorwaardes word getoon. Die presiese waardes van die weerstande en kapasitors is gevind volgens die formule in vergelyking (2). Hierdie formule is twee keer gebruik, een vir die hoë -deursny -frekwensie van 0,5 Hz en een vir die laag -deursny -frekwensie van 150 Hz. In elke geval is die kapasitorwaarde op 1 μF gestel, en die weerstandswaarde is bereken.

Vergelyking 2: R = 1 / (2 * pi * Afsnyprekwensie * C)

Stap 3: Bou die kerffilter

'N Ander algemene bron van geraas wat met die EKG gepaard gaan, word veroorsaak deur kragdrade en ander elektroniese toerusting, maar dit is uitgeskakel met 'n kerffilter. Hierdie filtertegniek het parallel 'n hoëpas- en 'n laagdeurlaatfilter gebruik om die geraas spesifiek by 60 Hz te verwyder. Die skema van die kerffilter met sy onderskeie weerstand- en kapasitorwaardes word getoon. Die presiese weerstand- en kapasitorwaardes is so bepaal dat R1 = R2 = 2R3 en C1 = 2C2 = 2C3. Om 'n afsnyfrekwensie van 60 Hz te verseker, is R1 op 1 kΩ gestel en vergelyking (3) is gebruik om die waarde van C1 te bepaal.

Vergelyking 3: C = 1 / (4 * pi * Afsnyprekwensie * R)

Stap 4: Bou die volledige stelsel

Uiteindelik is al drie komponente gekombineer om te verseker dat die hele toestel behoorlik funksioneer. Die spesifieke komponentwaardes het nie verander toe die volledige stelsel geïmplementeer is nie, en die simulasieparameters is in figuur 4. Elke deel is in serie in mekaar verbind in die volgende volgorde: INA, bandpassfilter en kerffilter. Alhoewel die filters omgeruil kan word, moet die INA as die eerste komponent bly, sodat versterking kan plaasvind voordat daar gefiltreer kan word.

Stap 5: Toets elke komponent

Om die geldigheid van hierdie stelsel te toets, is elke komponent eers afsonderlik getoets en daarna die hele stelsel getoets. Vir elke toets was die insetsein ingestel op 'n tipiese reeks fisiologiese seine (5 mV en 1 kHz), sodat die stelsel so akkuraat as moontlik was. 'N Wisselstroom -sweep en verbygaande analise is vir die INA voltooi, sodat die wins bepaal kan word met behulp van twee metodes (vergelykings (4) en (5)). Die filters is albei getoets met 'n AC -sweep om te verseker dat die afsnyfrekwensies op die gewenste waardes voorkom.

Vergelyking 4: Versterking = 10 ^ (dB / 20) Vergelyking 5: Versterking = Uitgangsspanning / Ingangspanning

Die eerste beeld wat getoon word, is die AC -sweep van die INA, die tweede en derde is die kortstondige analise van die INA vir die inset- en uitsetspannings. Die vierde is die AC -sweep van die bandpassfilter, en die vyfde is die AC -sweep van die kerffilter.

Stap 6: Toets die volledige stelsel

Uiteindelik is die volledige stelsel getoets met 'n AC -sweep en kortstondige analise; die invoer van hierdie stelsel was egter 'n werklike EKG -sein. Die eerste prent hierbo toon die resultate van die AC -sweep, terwyl die tweede die resultate van die verbygaande analise toon. Elke lyn kom ooreen met 'n meting wat na elke komponent geneem word: groen - INA, blou - bandpassfilter en rooi kerffilter. Die finale beeld zoom in op een spesifieke EKG -golf vir makliker analise.

Stap 7: Laaste gedagtes

Oor die algemeen is hierdie stelsel ontwerp om 'n EKG -sein in te neem, dit te versterk en ongewenste geraas te verwyder sodat dit maklik geïnterpreteer kan word. Vir die volledige stelsel is 'n instrumentasieversterker, 'n banddeurlaatfilter en 'n kerffilter ontwerp met spesifieke ontwerpspesifikasies om die doel te bereik. Na die ontwerp van hierdie komponente in LTspice, is 'n kombinasie van AC -sweep en verbygaande analises uitgevoer om die geldigheid van elke komponent en die hele stelsel te toets. Hierdie toetse het getoon dat die algehele ontwerp van die stelsel geldig is en dat elke komponent werk soos verwag.

In die toekoms kan hierdie stelsel omgeskakel word na 'n fisiese stroombaan om te toets terwyl lewendige EKG -data. Hierdie toetse sou die laaste stap wees om te bepaal of die ontwerp geldig is. Sodra dit voltooi is, kan die stelsel aangepas word om in verskillende gesondheidsorgomgewings gebruik te word en om klinici te help om hartsiektes te diagnoseer en te behandel.