ECG Signal Modelling sa LTspice: 7 Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:10

Ang isang ECG ay isang pangkaraniwang pamamaraan upang masukat ang mga de-koryenteng signal na nangyayari sa puso. Ang pangkalahatang ideya ng pamamaraang ito ay upang makahanap ng mga problema sa puso, tulad ng arrhythmia, coronary artery disease, o atake sa puso. Maaaring kailanganin kung ang pasyente ay nakakaranas ng mga sintomas tulad ng sakit sa dibdib, kahirapan sa paghinga, o hindi pantay na tibok ng puso na tinatawag na palpitations, ngunit maaari ding magamit upang matiyak na gumagana nang maayos ang mga pacemaker at iba pang implantable device. Ipinapakita ng data mula sa World Health Organization na ang mga sakit na nauugnay sa cardiovascular ay ang pinakamalaking sanhi ng pagkamatay sa buong mundo; ang mga sakit na ito ay pumapatay ng humigit-kumulang 18 milyong mga tao bawat taon. Samakatuwid, ang mga aparato na maaaring subaybayan o matuklasan ang mga sakit na ito ay hindi kapani-paniwalang mahalaga, na ang dahilan kung bakit binuo ang ECG. Ang ECG ay isang ganap na di-nagsasalakay na medikal na pagsubok na walang panganib sa pasyente, maliban sa ilang menor de edad na kakulangan sa ginhawa kapag inalis ang mga electrode.

Ang buong aparato na nakabalangkas sa itinuturo na ito ay binubuo ng maraming mga bahagi upang manipulahin ang maingay na ECG signal upang ang pinakamainam na mga resulta ay maaaring makuha. Ang mga pag-record ng ECG ay nangyayari sa karaniwang mababang mga boltahe, kaya ang mga signal na ito ay dapat na palakasin bago maganap ang pagtatasa, sa kasong ito na may isang instrumentation amplifier. Gayundin, ang ingay ay kilalang-kilala sa mga pag-record ng ECG, kaya dapat mangyari ang pagsala upang linisin ang mga signal na ito. Ang pagkagambala na ito ay maaaring magmula sa iba`t ibang mga lugar, kaya't kailangang gawin ang iba`t ibang mga diskarte upang alisin ang mga tukoy na ingay. Ang mga signal ng physiological ay nagaganap lamang sa isang karaniwang saklaw, kaya ginagamit ang isang filter ng bandpass upang alisin ang anumang mga frequency sa labas ng saklaw na ito. Ang isang karaniwang ingay sa isang senyas ng ECG ay tinatawag na pagkagambala ng linya ng kuryente, na nangyayari sa humigit-kumulang na 60 Hz at inalis gamit ang isang pansukat na filter. Ang tatlong mga sangkap na ito ay gumagana nang sabay-sabay upang linisin ang isang senyas ng ECG at payagan para sa mas madaling pagbibigay kahulugan at pag-diagnose at pagmomodelo sa LTspice upang subukan ang kanilang pagiging epektibo.

Hakbang 1: Pagbuo ng Instrumentation Amplifier (INA)

Ang unang bahagi ng buong aparato ay isang instrumentation amplifier (INA), na maaaring sukatin ang maliliit na signal na matatagpuan sa maingay na mga kapaligiran. Sa kasong ito, ang isang INA ay ginawa na may mataas na pakinabang (sa paligid ng 1, 000) upang payagan ang pinakamainam na mga resulta. Ang isang iskema ng INA na may kani-kanilang mga halaga ng resistor ay ipinapakita. Ang pagkamit ng INA na ito ay maaaring kalkulahin nang teoretikal upang kumpirmahing wasto ang pag-setup at naaangkop ang mga halaga ng risistor. Ipinapakita ng Equation (1) ang equation na ginamit upang kalkulahin na ang theoretical na nakuha ay 1, 000, kung saan ang R1 = R3, R4 = R5, at R6 = R7.

Equation (1): Makita = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Hakbang 2: Pagbuo ng Filter ng Bandpass

Ang isang pangunahing mapagkukunan ng ingay ay may kasamang mga signal ng kuryente na nagpapalaganap sa katawan, kaya ang pamantayan ng industriya ay magsasama ng isang bandpass filter na may mga cutoff frequency na 0.5 Hz at 150 Hz upang alisin ang mga pagbaluktot mula sa ECG. Gumamit ang filter na ito ng isang mataas na pass at isang mababang pass filter sa serye upang maalis ang mga signal sa labas ng saklaw ng dalas na ito. Ang eskematiko ng filter na ito na may kanya-kanyang resistor at mga halaga ng capacitor ay ipinapakita. Ang eksaktong halaga ng mga resistors at capacitor ay natagpuan gamit ang formula na ipinakita sa Equation (2). Ang formula na ito ay ginamit ng dalawang beses, isa para sa mataas na dalas ng cutoff ng pass na 0.5 Hz at isa para sa mababang pass cutoff na dalas na 150 Hz. Sa bawat kaso, ang halaga ng capacitor ay itinakda sa 1 μF, at ang halaga ng risistor ay kinakalkula.

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

Hakbang 3: Pagbuo ng Filter ng Notch

Ang isa pang karaniwang mapagkukunan ng ingay na nauugnay sa ECG ay sanhi ng mga linya ng kuryente at iba pang elektronikong kagamitan ngunit natanggal ng isang filter ng bingaw. Ang pamamaraan ng pag-filter na ito ay gumamit ng isang mataas na pass at isang mababang pass filter na kahanay upang maalis ang ingay na partikular sa 60 Hz. Ang eskematiko ng filter ng bingaw na may kanya-kanyang resistor at mga halaga ng capacitor ay ipinapakita. Ang eksaktong halaga ng risistor at capacitor ay tinukoy tulad ng R1 = R2 = 2R3 at C1 = 2C2 = 2C3. Pagkatapos, upang matiyak ang isang dalas ng cutoff na 60 Hz, ang R1 ay itinakda sa 1 kΩ, at ginamit ang Equation (3) upang hanapin ang halaga ng C1.

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

Hakbang 4: Pagbuo ng Buong System

Sa wakas, ang lahat ng tatlong mga sangkap ay pinagsama na sinubukan upang matiyak na ang buong buong aparato ay gumagana nang maayos. Ang mga tukoy na halaga ng sangkap ay hindi nagbago kapag ang buong system ay ipinatupad, at ang mga parameter ng simulation ay kasama sa Larawan 4. Ang bawat bahagi ay konektado sa serye sa bawat isa sa sumusunod na pagkakasunud-sunod: INA, bandpass filter, at filter ng bingaw. Habang maaaring mapalitan ang mga filter, ang INA ay dapat manatili bilang unang sangkap, upang ang amplification ay maaaring mangyari bago maganap ang anumang pagsala.

Hakbang 5: Pagsubok sa Bawat Bahagi

Upang masubukan ang bisa ng sistemang ito, ang bawat bahagi ay unang sinubukan nang magkahiwalay, at pagkatapos ay nasubukan ang buong system. Para sa bawat pagsubok, ang input signal ay itinakda sa loob ng isang tipikal na saklaw ng mga signal ng physiological (5 mV at 1 kHz), upang ang sistema ay maaaring maging tumpak hangga't maaari. Ang isang AC sweep at pansamantalang pag-aaral ay nakumpleto para sa INA, upang ang pakinabang ay maaaring matukoy gamit ang dalawang pamamaraan (Equation (4) at (5)). Ang mga filter ay parehong nasubok gamit ang isang AC sweep upang matiyak na ang mga frequency ng cutoff ay nangyayari sa nais na mga halaga.

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

Ang unang imahe na ipinakita ay ang AC sweep ng INA, ang pangalawa at pangatlo ay ang pansamantalang pagtatasa ng INA para sa mga input at output voltage. Ang pang-apat ay ang AC sweep ng bandpass filter, at ang ikalima ay ang AC sweep ng notch filter.

Hakbang 6: Pagsubok sa Buong System

Sa wakas, ang buong sistema ay nasubukan sa isang AC sweep at pansamantalang pagtatasa; gayunpaman, ang input sa sistemang ito ay isang aktwal na signal ng ECG. Ang unang imahe sa itaas ay nagpapakita ng mga resulta ng AC sweep, habang ang pangalawa ay nagpapakita ng mga resulta ng pansamantalang pagtatasa. Ang bawat linya ay tumutugma sa isang pagsukat na kumukuha pagkatapos ng bawat bahagi: berde - INA, asul - filter na bandpass, at pula - na pansukat na filter. Ang huling imahe ay nag-zoom in sa isang partikular na alon ng ECG para sa mas madaling pagsusuri.

Hakbang 7: Pangwakas na Mga Saloobin

Sa pangkalahatan, ang sistemang ito ay dinisenyo upang kumuha ng isang senyas ng ECG, palakasin ito, at alisin ang anumang hindi ginustong ingay upang madali itong mabigyang kahulugan. Para sa buong sistema, isang amplifier ng instrumentation, isang bandpass filter, at isang notch filter ay idinisenyo na ibinigay partikular na mga pagtutukoy ng disenyo upang makamit ang layunin. Matapos ang pagdidisenyo ng mga sangkap na ito sa LTspice, isang kombinasyon ng AC sweep at pansamantalang pagsusuri ay isinagawa upang masubukan ang bisa ng bawat bahagi at ng buong sistema. Ipinakita ng mga pagsubok na ito na ang pangkalahatang disenyo ng system ay wasto at ang bawat bahagi ay gumagana tulad ng inaasahan.

Sa hinaharap, ang sistemang ito ay maaaring mabago sa isang pisikal na circuit upang subukan habang live na data ng ECG. Ang mga pagsubok na ito ay ang panghuling hakbang sa pagtukoy kung ang disenyo ay wasto. Kapag nakumpleto, ang sistema ay maaaring iakma upang magamit sa iba't ibang mga setting ng pangangalaga ng kalusugan at magamit upang matulungan ang mga klinika na magpatingin sa doktor at gamutin ang mga sakit sa puso.