LTspice -da EKG signallarini modellashtirish: 7 qadam

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:22

EKG - bu yurakda sodir bo'ladigan elektr signallarini o'lchashning juda keng tarqalgan usuli. Ushbu protseduraning umumiy g'oyasi aritmiya, koronar arter kasalligi yoki yurak xuruji kabi yurak muammolarini topishdir. Agar bemorda ko'krak qafasi og'rig'i, nafas olish qiyinlishuvi yoki yurak urishi deb nomlanuvchi notekis yurak urishi kabi alomatlar bo'lsa, bu zarur bo'lishi mumkin, lekin yurak stimulyatori va boshqa implantatsiya qilinadigan qurilmalarning to'g'ri ishlashini ta'minlash uchun ham foydalanish mumkin. Jahon sog'liqni saqlash tashkilotining ma'lumotlari shuni ko'rsatadiki, yurak-qon tomir kasalliklari butun dunyoda o'limning asosiy sabablari hisoblanadi; Bu kasalliklar har yili taxminan 18 million odamni o'ldiradi. Shu sababli, ushbu kasalliklarni kuzatishi yoki kashf etishi mumkin bo'lgan qurilmalar nihoyatda muhim, shuning uchun EKG ishlab chiqilgan. EKG-bu bemorga hech qanday xavf tug'dirmaydigan mutlaqo invaziv bo'lmagan tibbiy tekshiruv, faqat elektrodlar chiqarilganda ozgina noqulaylik tug'iladi.

Bu yo'riqnomada tasvirlangan to'liq qurilma shovqinli EKG signalini boshqarish uchun bir nechta komponentlardan iborat bo'ladi, shunda optimal natijalarga erishish mumkin bo'ladi. EKG yozuvlari odatda past kuchlanishlarda sodir bo'ladi, shuning uchun bu signallarni tahlil qilishdan oldin kuchaytirish kerak, bu holda asboblar kuchaytirgichi yordamida. Bundan tashqari, EKG yozuvlarida shovqin juda muhim, shuning uchun bu signallarni tozalash uchun filtrlash kerak. Bu aralashuv turli joylardan bo'lishi mumkin, shuning uchun ma'lum shovqinlarni olib tashlash uchun har xil yondashuvlarni qo'llash kerak. Fiziologik signallar faqat odatiy diapazonda sodir bo'ladi, shuning uchun bu diapazondan tashqaridagi har qanday chastotalarni olib tashlash uchun tarmoqli o'tkazgichli filtr ishlatiladi. EKG signalida tez -tez uchraydigan shovqin, taxminan 60 Gts chastotada sodir bo'ladigan va chiziqli filtr bilan o'chiriladigan elektr uzatish liniyasi aralashuvi deb ataladi. Bu uchta komponent EKG signalini tozalash uchun bir vaqtning o'zida ishlaydi va osonroq izohlash va tashxis qo'yishga imkon beradi va ularning samaradorligini tekshirish uchun LTspice -da modellashtiriladi.

1 -qadam: asboblar kuchaytirgichini (INA) yaratish

To'liq qurilmaning birinchi komponenti shovqinli muhitda topilgan kichik signallarni o'lchaydigan asboblar kuchaytirgichi (INA) edi. Bunday holda, optimal natijalarga erishish uchun INA yuqori daromad bilan (1 000 atrofida) qilingan. O'ziga tegishli qarshilik qiymatlari bilan INA sxemasi ko'rsatilgan. O'rnatishning to'g'riligini va qarshilik qiymatlari mos kelishini tasdiqlash uchun ushbu INA daromadini nazariy jihatdan hisoblash mumkin. Tenglama (1) nazariy daromad 1 000 bo'lganini hisoblash uchun ishlatiladigan tenglamani ko'rsatadi, bu erda R1 = R3, R4 = R5 va R6 = R7.

Tenglama (1): daromad = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

2 -qadam: Bandpass filtrini yaratish

Shovqinning asosiy manbai korpus orqali tarqaladigan elektr signallarini o'z ichiga oladi, shuning uchun sanoat standarti EKGda buzilishlarni olib tashlash uchun 0,5 Gts va 150 Gts chastotali kesish chastotali tarmoqli o'tkazgichli filtrni o'z ichiga oladi. Ushbu filtr bu chastota diapazonidan tashqaridagi signallarni yo'q qilish uchun ketma -ket yuqori va past o'tish filtrlaridan foydalangan. Ushbu filtrning rezistor va kondansatör qiymatlari ko'rsatilgan sxemasi ko'rsatilgan. Rezistorlar va kondansatkichlarning aniq qiymatlari (2) formulada ko'rsatilgan formuladan foydalanib topilgan. Bu formula ikki marta ishlatilgan, bittasi 0,5 Gts yuqori o'tish chastotasi va 150 Gts past o'tish chastotasi uchun. Har bir holatda, kondansatör qiymati 1 mF ga o'rnatildi va qarshilik qiymati hisoblab chiqildi.

Tenglama 2: R = 1 / (2 * pi * kesish chastotasi * C)

3 -qadam: Notch filtrini yaratish

EKG bilan bog'liq yana bir keng tarqalgan shovqin manbai elektr uzatish liniyalari va boshqa elektron uskunalardir, lekin ular filtrli filtr yordamida yo'q qilingan. Ushbu filtrlash texnikasi 60 gigagertsli shovqinni olib tashlash uchun parallel ravishda yuqori o'tish va past o'tish filtrlaridan foydalangan. Tegishli qarshilik va kondansatör qiymatlari bilan kesilgan filtrning sxemasi ko'rsatilgan. Rezistor va kondansatörning aniq qiymatlari R1 = R2 = 2R3 va C1 = 2C2 = 2C3 qilib aniqlandi. So'ngra, 60 Gts chastotali kesish chastotasini ta'minlash uchun R1 1 kΩ ga o'rnatildi va C1 qiymatini topish uchun (3) tenglama ishlatildi.

Tenglama 3: C = 1 / (4 * pi * kesish chastotasi * R)

4 -qadam: To'liq tizimni yaratish

Nihoyat, barcha uchta komponent birlashtirilgan bo'lib, butun qurilmaning to'g'ri ishlashini ta'minladi. To'liq tizim amalga oshirilganda, komponentlarning o'ziga xos qiymatlari o'zgarmadi va simulyatsiya parametrlari 4 -rasmga kiritilgan. Har bir qism ketma -ket bir -biriga quyidagi tartibda ulangan: INA, tarmoqli o'tkazgichli filtr va chiziqli filtr. Filtrlarni almashtirish mumkin bo'lsa -da, INA birinchi komponent bo'lib qolishi kerak, shuning uchun har qanday filtrlashdan oldin amplifikatsiya bo'lishi mumkin.

5 -qadam: Har bir komponentni tekshirish

Bu tizimning to'g'riligini tekshirish uchun har bir komponent avval alohida, so'ngra butun tizim sinovdan o'tkazildi. Har bir sinov uchun kirish signali fiziologik signallarning odatiy diapazonida (5 mV va 1 kHz) o'rnatiladi, shuning uchun tizim iloji boricha aniq bo'lishi mumkin. INA uchun o'zgaruvchan tokni tozalash va vaqtinchalik tahlil yakunlandi, natijada daromadni ikki usul yordamida aniqlash mumkin edi (Tenglamalar (4) va (5)). Filtrlar kesish chastotalari kerakli qiymatlarda bo'lishini ta'minlash uchun o'zgaruvchan tokni tozalash yordamida sinovdan o'tkazildi.

Tenglama 4: daromad = 10 ^ (dB / 20) Tenglama 5: daromad = chiqish voltaji / kirish voltaji

Ko'rsatilgan birinchi rasm INAning AC o'zgarishi, ikkinchisi va uchinchisi kirish va chiqish kuchlanishlari uchun INAning vaqtinchalik tahlili. To'rtinchisi - tarmoqli o'tkazgich filtrining o'zgaruvchan tokini, beshinchisi - chiziqli filtrning o'zgaruvchan tokini tozalash.

6 -qadam: To'liq tizimni sinab ko'rish

Nihoyat, to'liq tizim ACni tozalash va vaqtinchalik tahlil bilan sinovdan o'tkazildi; ammo, bu tizimga kirish haqiqiy EKG signal edi. Yuqoridagi birinchi rasm o'zgaruvchan tokni tozalash natijalarini, ikkinchisida vaqtinchalik tahlil natijalarini ko'rsatadi. Har bir satr har bir komponentdan keyin olingan o'lchovga mos keladi: yashil - INA, ko'k - o'tkazuvchanlik filtri va qizil chiziqli filtr. Oxirgi tasvir, tahlilni osonlashtirish uchun ma'lum bir EKG to'lqiniga yaqinlashadi.

7 -qadam: Yakuniy fikrlar

Umuman olganda, bu tizim EKG signalini qabul qilish, uni kuchaytirish va istalmagan shovqinlarni olib tashlash uchun mo'ljallangan bo'lib, uni oson talqin qilish mumkin. To'liq tizim uchun asboblarni kuchaytirgichi, tarmoqli o'tkazgichli filtri va chiziqli filtri maqsadga erishish uchun maxsus dizayn xususiyatlarini hisobga olgan holda ishlab chiqilgan. LTspice -da ushbu komponentlarni loyihalashdan so'ng, har bir komponent va butun tizimning to'g'riligini tekshirish uchun o'zgaruvchan tokni tozalash va vaqtinchalik tahlillar o'tkazildi. Ushbu testlar tizimning umumiy dizayni to'g'ri ekanligini va har bir komponent kutilganidek ishlayotganligini ko'rsatdi.

Kelgusida bu tizimni EKG ma'lumotlarini jonli tekshirish uchun fizik zanjirga o'tkazish mumkin. Ushbu testlar dizaynning to'g'riligini aniqlashning oxirgi bosqichi bo'ladi. Tugatilgandan so'ng, tizim turli xil sog'liqni saqlash sharoitlarida foydalanishga moslashtirilishi va klinisyenlarga yurak kasalliklarini tashxislash va davolashda yordam berishi mumkin.