Моделирование сигнала ЭКГ в LTspice: 7 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:48

ЭКГ - очень распространенный метод измерения электрических сигналов, возникающих в сердце. Общая идея этой процедуры - найти проблемы с сердцем, такие как аритмия, ишемическая болезнь сердца или сердечные приступы. Это может быть необходимо, если пациент испытывает такие симптомы, как боль в груди, затрудненное дыхание или неравномерное сердцебиение, называемое сердцебиением, но также может использоваться для обеспечения правильного функционирования кардиостимуляторов и других имплантируемых устройств. Данные Всемирной организации здравоохранения показывают, что сердечно-сосудистые заболевания являются основными причинами смерти во всем мире; от этих болезней ежегодно умирает около 18 миллионов человек. Поэтому устройства, которые могут отслеживать или обнаруживать эти заболевания, невероятно важны, поэтому была разработана ЭКГ. ЭКГ - это полностью неинвазивный медицинский тест, который не представляет опасности для пациента, за исключением небольшого дискомфорта при удалении электродов.

Полное устройство, описанное в этом руководстве, будет состоять из нескольких компонентов для управления зашумленным сигналом ЭКГ, чтобы можно было получить оптимальные результаты. Запись ЭКГ обычно происходит при низком напряжении, поэтому эти сигналы следует усилить до проведения анализа, в данном случае с помощью инструментального усилителя. Кроме того, в записях ЭКГ очень заметен шум, поэтому для очистки этих сигналов необходима фильтрация. Эти помехи могут исходить из разных источников, поэтому необходимо применять разные подходы для устранения определенных шумов. Физиологические сигналы возникают только в обычном диапазоне, поэтому для удаления любых частот за пределами этого диапазона используется полосовой фильтр. Обычный шум в сигнале ЭКГ называется помехой от линии электропередачи, он возникает с частотой примерно 60 Гц и удаляется режекторным фильтром. Эти три компонента работают одновременно, чтобы очистить сигнал ЭКГ и облегчить интерпретацию и диагностику, и будут смоделированы в LTspice для проверки их эффективности.

Шаг 1. Создание инструментального усилителя (INA)

Первым компонентом полного устройства был инструментальный усилитель (INA), который может измерять слабые сигналы, обнаруживаемые в шумной среде. В этом случае INA был сделан с высоким коэффициентом усиления (около 1000), чтобы обеспечить оптимальные результаты. Показана схема INA с соответствующими номиналами резисторов. Коэффициент усиления этого INA можно рассчитать теоретически, чтобы подтвердить правильность настройки и соответствие номиналов резисторов. Уравнение (1) показывает уравнение, используемое для расчета теоретического усиления 1 000, где R1 = R3, R4 = R5 и R6 = R7.

Уравнение (1): усиление = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Шаг 2: Создание полосового фильтра

Основным источником шума являются электрические сигналы, распространяющиеся через тело, поэтому промышленный стандарт должен включать полосовой фильтр с частотами среза 0,5 Гц и 150 Гц для устранения искажений ЭКГ. В этом фильтре последовательно использовались фильтры верхних и нижних частот, чтобы исключить сигналы за пределами этого частотного диапазона. Показана схема этого фильтра с соответствующими номиналами резистора и конденсатора. Точные значения резисторов и конденсаторов были найдены по формуле, показанной в уравнении (2). Эта формула использовалась дважды: одна для частоты среза высоких частот 0,5 Гц и одна для частоты среза низких частот 150 Гц. В каждом случае емкость конденсатора была установлена на 1 мкФ, а номинал резистора был рассчитан.

Уравнение 2: R = 1 / (2 * pi * частота среза * C)

Шаг 3: создание режекторного фильтра

Другой распространенный источник шума, связанный с ЭКГ, - это линии электропередач и другое электронное оборудование, но он был устранен с помощью режекторного фильтра. В этом методе фильтрации используются параллельные фильтры верхних и нижних частот для удаления шума, особенно на частоте 60 Гц. Показана схема режекторного фильтра с соответствующими номиналами резистора и конденсатора. Точные номиналы резистора и конденсатора были определены таким образом, что R1 = R2 = 2R3 и C1 = 2C2 = 2C3. Затем, чтобы гарантировать частоту среза 60 Гц, R1 был установлен на 1 кОм, и уравнение (3) использовалось для определения значения C1.

Уравнение 3: C = 1 / (4 * pi * частота среза * R)

Шаг 4: построение полной системы

Наконец, все три компонента были протестированы вместе, чтобы убедиться, что все устройство работает должным образом. Конкретные значения компонентов не изменились, когда была реализована полная система, и параметры моделирования показаны на рисунке 4. Каждая часть была подключена последовательно друг к другу в следующем порядке: INA, полосовой фильтр и режекторный фильтр. Хотя фильтры можно менять местами, INA должен оставаться первым компонентом, так что усиление может происходить до того, как произойдет какая-либо фильтрация.

Шаг 5: Тестирование каждого компонента

Для проверки работоспособности этой системы каждый компонент сначала тестировался отдельно, а затем тестировалась вся система. Для каждого теста входной сигнал был установлен в пределах типичного диапазона физиологических сигналов (5 мВ и 1 кГц), чтобы система могла быть максимально точной. Для INA были выполнены свипирование по переменному току и анализ переходных процессов, так что коэффициент усиления можно было определить двумя способами (уравнения (4) и (5)). Оба фильтра были протестированы с использованием развертки по переменному току, чтобы убедиться, что частоты среза соответствуют желаемым значениям.

Уравнение 4: усиление = 10 ^ (дБ / 20) Уравнение 5: усиление = выходное напряжение / входное напряжение

Первое изображение показывает развертку по переменному току INA, второе и третье - анализ переходных процессов INA для входного и выходного напряжений. Четвертый - это развертка по переменному току полосового фильтра, а пятая - это развертка по переменному току режекторного фильтра.

Шаг 6: Тестирование всей системы

Наконец, вся система была протестирована с помощью развертки переменного тока и анализа переходных процессов; однако входом в эту систему был фактический сигнал ЭКГ. На первом изображении выше показаны результаты развертки переменного тока, а на втором - результаты анализа переходных процессов. Каждая линия соответствует измерениям после каждого компонента: зеленый - INA, синий - полосовой фильтр и красный - режекторный фильтр. Окончательное изображение увеличено до одной конкретной волны ЭКГ для облегчения анализа.

Шаг 7: Заключительные мысли

В целом, эта система была разработана для приема сигнала ЭКГ, его усиления и удаления любых нежелательных шумов, чтобы его можно было легко интерпретировать. Для всей системы были разработаны инструментальный усилитель, полосовой фильтр и режекторный фильтр с учетом конкретных проектных спецификаций для достижения цели. После разработки этих компонентов в LTspice была проведена комбинация анализа переменного тока и переходных процессов для проверки достоверности каждого компонента и всей системы. Эти тесты показали, что общий дизайн системы действителен и что каждый компонент функционирует так, как ожидалось.

В будущем эта система может быть преобразована в физическую схему для тестирования данных ЭКГ в режиме реального времени. Эти испытания станут последним шагом в определении правильности конструкции. После завершения систему можно адаптировать для использования в различных медицинских учреждениях и использовать для помощи врачам в диагностике и лечении сердечных заболеваний.