ECG-signaalmodellering in LTspice: 7 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

Een ECG is een veelgebruikte methode om elektrische signalen te meten die in het hart optreden. Het algemene idee van deze procedure is het vinden van hartproblemen, zoals aritmieën, coronaire hartziekte of hartaanvallen. Het kan nodig zijn als de patiënt symptomen ervaart zoals pijn op de borst, moeite met ademhalen of een onregelmatige hartslag, hartkloppingen genaamd, maar het kan ook worden gebruikt om ervoor te zorgen dat pacemakers en andere implanteerbare apparaten goed werken. Uit gegevens van de Wereldgezondheidsorganisatie blijkt dat cardiovasculaire ziekten wereldwijd de grootste doodsoorzaken zijn; aan deze ziekten komen jaarlijks ongeveer 18 miljoen mensen om het leven. Daarom zijn apparaten die deze ziekten kunnen volgen of ontdekken ongelooflijk belangrijk, daarom is het ECG ontwikkeld. Het ECG is een volledig niet-invasieve medische test die geen risico vormt voor de patiënt, afgezien van een klein ongemak bij het verwijderen van de elektroden.

Het volledige apparaat dat in deze instructable wordt beschreven, zal uit verschillende componenten bestaan om het ECG-signaal met ruis te manipuleren, zodat optimale resultaten kunnen worden verkregen. ECG-opnames vinden plaats bij doorgaans lage spanningen, dus deze signalen moeten worden versterkt voordat analyse kan plaatsvinden, in dit geval met een instrumentatieversterker. Ook is ruis zeer prominent aanwezig in ECG-opnames, dus er moet worden gefilterd om deze signalen op te schonen. Deze interferentie kan van verschillende plaatsen komen, dus er moeten verschillende benaderingen worden gevolgd om specifieke geluiden te verwijderen. Fysiologische signalen komen alleen voor in een typisch bereik, dus een banddoorlaatfilter wordt gebruikt om frequenties buiten dit bereik te verwijderen. Een veel voorkomende ruis in een ECG-signaal wordt stroomlijninterferentie genoemd, die optreedt bij ongeveer 60 Hz en wordt verwijderd met een notch-filter. Deze drie componenten werken gelijktijdig om een ECG-signaal te zuiveren en een eenvoudigere interpretatie en diagnose mogelijk te maken, en zullen in LTspice worden gemodelleerd om hun werkzaamheid te testen.

Stap 1: De instrumentatieversterker (INA) bouwen

Het eerste onderdeel van het volledige apparaat was een instrumentatieversterker (INA), die kleine signalen kan meten die in lawaaierige omgevingen worden aangetroffen. In dit geval werd een INA gemaakt met een hoge winst (ongeveer 1.000) om optimale resultaten mogelijk te maken. Een schema van de INA met de bijbehorende weerstandswaarden wordt getoond. De versterking van deze INA kan theoretisch worden berekend om te bevestigen dat de opstelling geldig was en dat de weerstandswaarden geschikt waren. Vergelijking (1) toont de vergelijking die is gebruikt om te berekenen dat de theoretische winst 1.000 was, waarbij R1 = R3, R4 = R5 en R6 = R7.

Vergelijking (1): Versterking = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Stap 2: Het banddoorlaatfilter bouwen

Een belangrijke bron van ruis zijn elektrische signalen die zich door het lichaam voortplanten, dus de industriestandaard is om een banddoorlaatfilter op te nemen met afsnijfrequenties van 0,5 Hz en 150 Hz om de vervormingen uit het ECG te verwijderen. Dit filter gebruikte een hoogdoorlaat- en een laagdoorlaatfilter in serie om signalen buiten dit frequentiebereik te elimineren. Het schema van dit filter met zijn respectievelijke weerstands- en condensatorwaarden wordt getoond. De exacte waarden van de weerstanden en condensatoren werden gevonden met behulp van de formule in vergelijking (2). Deze formule werd twee keer gebruikt, een voor de hoogdoorlaatafsnijfrequentie van 0,5 Hz en een voor de laagdoorlaatafsnijfrequentie van 150 Hz. In elk geval werd de condensatorwaarde ingesteld op 1 F en werd de weerstandswaarde berekend.

Vergelijking 2: R = 1 / (2 * pi * Afsnijfrequentie * C)

Stap 3: Het inkepingsfilter bouwen

Een andere veel voorkomende bron van ruis in verband met het ECG wordt veroorzaakt door hoogspanningsleidingen en andere elektronische apparatuur, maar werd geëlimineerd met een inkepingsfilter. Deze filtertechniek gebruikte parallel een hoogdoorlaat- en een laagdoorlaatfilter om de ruis specifiek bij 60 Hz te verwijderen. Het schema van het notch-filter met zijn respectievelijke weerstands- en condensatorwaarden wordt getoond. De exacte weerstands- en condensatorwaarden werden zo bepaald dat R1 = R2 = 2R3 en C1 = 2C2 =2C3. Om een afsnijfrequentie van 60 Hz te garanderen, werd R1 vervolgens ingesteld op 1 kΩ en werd vergelijking (3) gebruikt om de waarde van C1 te vinden.

Vergelijking 3: C = 1 / (4 * pi * Afsnijfrequentie * R)

Stap 4: Het volledige systeem bouwen

Ten slotte werden alle drie de componenten gecombineerd getest om ervoor te zorgen dat het volledige volledige apparaat goed functioneerde. De specifieke componentwaarden veranderden niet toen het volledige systeem werd geïmplementeerd, en de simulatieparameters zijn opgenomen in figuur 4. Elk onderdeel was in serie met elkaar verbonden in de volgende volgorde: INA, banddoorlaatfilter en notch-filter. Hoewel de filters kunnen worden verwisseld, moet de INA als eerste component blijven, zodat versterking kan plaatsvinden voordat enige filtering plaatsvindt.

Stap 5: Elke component testen

Om de validiteit van dit systeem te testen, werd eerst elk onderdeel afzonderlijk getest en vervolgens het hele systeem. Voor elke test werd het ingangssignaal ingesteld binnen een typisch bereik van fysiologische signalen (5 mV en 1 kHz), zodat het systeem zo nauwkeurig mogelijk kon zijn. Een AC-sweep en transiënte analyse werden voltooid voor de INA, zodat de versterking kon worden bepaald met behulp van twee methoden (vergelijkingen (4) en (5)). De filters zijn beide getest met een AC-sweep om er zeker van te zijn dat de afsnijfrequenties op de gewenste waarden optreden.

Vergelijking 4: Versterking = 10 ^ (dB / 20)Vergelijking 5: Versterking = Uitgangsspanning / Ingangsspanning

Het eerste getoonde beeld is de AC-sweep van de INA, de tweede en derde zijn de transiënte analyse van de INA voor de ingangs- en uitgangsspanningen. De vierde is de AC-sweep van het banddoorlaatfilter en de vijfde is de AC-sweep van het notch-filter.

Stap 6: het volledige systeem testen

Ten slotte werd het volledige systeem getest met een AC-sweep en transiënte analyse; de invoer naar dit systeem was echter een echt ECG-signaal. De eerste afbeelding hierboven toont de resultaten van de AC-sweep, terwijl de tweede de resultaten van de tijdelijke analyse toont. Elke regel komt overeen met een meting na elk onderdeel: groen - INA, blauw - banddoorlaatfilter en rood - notch-filter. Het uiteindelijke beeld zoomt in op een bepaalde ECG-golf voor een eenvoudigere analyse.

Stap 7: Laatste gedachten

Over het algemeen is dit systeem ontworpen om een ECG-signaal op te nemen, te versterken en ongewenste ruis te verwijderen, zodat het gemakkelijk kan worden geïnterpreteerd. Voor het volledige systeem werden een instrumentatieversterker, een banddoorlaatfilter en een inkepingsfilter ontworpen met specifieke ontwerpspecificaties om het doel te bereiken. Na het ontwerpen van deze componenten in LTspice, werd een combinatie van AC-sweep en transiënte analyses uitgevoerd om de validiteit van elk onderdeel en van het hele systeem te testen. Deze tests toonden aan dat het algehele ontwerp van het systeem valide was en dat elk onderdeel functioneerde zoals verwacht.

In de toekomst kan dit systeem worden geconverteerd naar een fysiek circuit om live ECG-gegevens te testen. Deze tests zouden de laatste stap zijn om te bepalen of het ontwerp geldig is. Eenmaal voltooid, kan het systeem worden aangepast voor gebruik in verschillende zorgomgevingen en om artsen te helpen bij het diagnosticeren en behandelen van hartaandoeningen.