LTspice -те ЭКГ сигналын модельдеу: 7 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:22

ЭКГ - жүректе пайда болатын электрлік сигналдарды өлшеудің өте кең тараған әдісі. Бұл процедураның жалпы идеясы - аритмия, жүректің ишемиялық ауруы немесе инфаркт сияқты жүрек проблемаларын табу. Егер пациент кеуде қуысының ауруы, тыныс алудың қиындауы немесе жүрек соғысы деп аталатын біркелкі емес жүрек соғысы сияқты белгілерді сезінсе, қажет болуы мүмкін, бірақ сонымен қатар кардиостимуляторлар мен имплантацияланатын басқа құрылғылардың дұрыс жұмыс істеуін қамтамасыз ету үшін де қолдануға болады. Дүниежүзілік денсаулық сақтау ұйымының мәліметтері жүрек-қан тамырлары ауруларының бүкіл әлемде өлім-жітімнің ең үлкен себебі болып табылатынын көрсетеді; Бұл аурулар жыл сайын шамамен 18 миллион адамды өлтіреді. Осы ауруларды бақылай алатын немесе анықтай алатын құрылғылар өте маңызды, сондықтан ЭКГ жасалды. ЭКГ-бұл инвазивті емес медициналық сынақ, ол электродтарды алып тастаған кезде аздаған ыңғайсыздықты қоспағанда, пациентке ешқандай қауіп төндірмейді.

Бұл нұсқаулықта көрсетілген толық құрылғы оңтайлы нәтижеге қол жеткізу үшін шулы ЭКГ сигналын басқаратын бірнеше компоненттерден тұрады. ЭКГ жазбалары әдетте төмен кернеулерде пайда болады, сондықтан бұл сигналдарды талдаудың алдында күшейту керек, бұл жағдайда аспаптық күшейткішпен. Сонымен қатар, ЭКГ жазбаларында шу өте маңызды, сондықтан бұл сигналдарды тазарту үшін сүзу қажет. Бұл кедергілер әр түрлі жерден болуы мүмкін, сондықтан арнайы шуды жою үшін әр түрлі тәсілдерді қолдану қажет. Физиологиялық сигналдар әдеттегі диапазонда ғана пайда болады, сондықтан бұл диапазоннан тыс кез келген жиіліктерді жою үшін жолақты сүзгі қолданылады. ЭКГ сигналындағы жалпы шу шамамен 60 Гц жиілікте пайда болатын және сызық сүзгісімен жойылатын электр желісінің интерференциясы деп аталады. Бұл үш компонент бір мезгілде ЭКГ сигналын тазарту үшін жұмыс істейді және интерпретация мен диагнозды жеңілдетуге мүмкіндік береді және олардың тиімділігін тексеру үшін LTspice -те модельденеді.

1 -қадам: аспаптық күшейткішті (INA) құру

Толық құрылғының бірінші компоненті шулы ортада кездесетін шағын сигналдарды өлшей алатын аспаптық күшейткіш (INA) болды. Бұл жағдайда оңтайлы нәтижеге қол жеткізу үшін INA жоғары пайдамен (шамамен 1 000) жасалды. Тиісті резистор мәндері бар ИНА схемасы көрсетілген. Бұл INA кірісін теориялық түрде есептеуге болады, ол орнатудың жарамдылығын және резистор мәндерінің сәйкес келуін растайды. (1) теңдеу теориялық пайда 1 000 болатынын есептеу үшін қолданылатын теңдеуді көрсетеді, мұнда R1 = R3, R4 = R5 және R6 = R7.

(1) теңдеу: Табыс = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

2 -қадам: Өткізгіш сүзгісін құру

Шудың негізгі көзіне денеде таралатын электрлік сигналдар жатады, сондықтан ЭКГ -дағы бұрмалануларды жою үшін 0,5 Гц және 150 Гц жиіліктердегі жолақ өткізгіш сүзгісі салалық стандарт болып табылады. Бұл сүзгі осы жиілік диапазонынан тыс сигналдарды жою үшін жоғары және төмен өту сүзгісін тізбектей қолданды. Резистор мен конденсатордың сәйкес мәндері бар бұл сүзгінің схемасы көрсетілген. Резисторлар мен конденсаторлардың нақты мәндері (2) теңдеуде көрсетілген формула бойынша табылды. Бұл формула екі рет қолданылды: біреуі 0,5 Гц жоғары өту жиілігі үшін, екіншісі 150 Гц төмен өту жиілігі үшін. Әр жағдайда конденсатордың мәні 1 мкФ -қа қойылды, резистордың мәні есептелді.

2 -теңдеу: R = 1 / (2 * pi * үзілу жиілігі * C)

3 -қадам: ойық сүзгісін құру

ЭКГ -мен байланысты тағы бір жалпы шу көзі электр желілері мен басқа электронды жабдықтармен байланысты, бірақ олар фильтрмен жойылды. Бұл сүзу әдісі 60 Гц жиіліктегі шуды жою үшін параллель жоғары және төмен өту сүзгісін қолданды. Тиісті резистор мен конденсатор мәндері бар ойық сүзгісінің схемасы көрсетілген. Резистор мен конденсатордың нақты мәндері R1 = R2 = 2R3 және C1 = 2C2 = 2C3 болатындай анықталды. Содан кейін 60 Гц үзіліс жиілігін қамтамасыз ету үшін R1 1 кОм мәніне қойылды, ал С1 мәнін табу үшін (3) теңдеу қолданылды.

3 -теңдеу: C = 1 / (4 * pi * үзілу жиілігі * R)

4 -қадам: Толық жүйені құру

Ақырында, барлық үш компонент біріктіріліп, бүкіл құрылғының дұрыс жұмыс істеуін қамтамасыз етті. Толық жүйе енгізілген кезде компоненттердің нақты мәндері өзгермеді, және модельдеу параметрлері 4 -суретте көрсетілген. Әр бөлік келесі ретпен бір -бірімен тізбектей қосылды: INA, жолақ сүзгісі және ойық сүзгісі. Сүзгілерді ауыстыруға болатын кезде, INA бірінші компонент ретінде қалуы керек, сондықтан кез келген сүзгіден бұрын күшейту болуы мүмкін.

5 -қадам: Әр компонентті тексеру

Бұл жүйенің дұрыстығын тексеру үшін әр компонент алдымен бөлек тексерілді, содан кейін бүкіл жүйе тексерілді. Әрбір сынау үшін кіріс сигналы физиологиялық сигналдардың типтік диапазонында (5 мВ және 1 кГц) болатындай етіп орнатылды, сондықтан жүйе мүмкіндігінше дәл болуы мүмкін. INA үшін айнымалы токты тазарту және өтпелі талдау аяқталды, осылайша пайданы екі әдіс арқылы анықтауға болады ((4) және (5) теңдеулер). Сүзгілер екеуі де айнымалы ток сөндіргіш көмегімен сыналды, бұл жиіліктер қалаған мәндерде болатынына көз жеткізді.

4 -теңдеу: Табыс = 10 ^ (дБ / 20) 5 -теңдеу: Табыс = Шығу кернеуі / Кіріс кернеуі

Көрсетілген бірінші сурет - INA айнымалы ток сөндіруі, екінші және үшінші - кіріс және шығыс кернеулері үшін INA -ның өтпелі талдауы. Төртінші - жолақты сүзгінің айнымалы токпен тазартылуы, ал бесінші - ойықтың сүзгісінің айнымалы токпен тазартылуы.

6 -қадам: Толық жүйені тексеру

Ақырында, толық жүйе айнымалы токпен және уақытша талдаумен сыналды; алайда бұл жүйеге кіріс нақты ЭКГ сигналы болды. Жоғарыдағы бірінші суретте айнымалы токты тазалаудың нәтижелері көрсетілген, ал екіншісінде уақытша талдаудың нәтижелері көрсетілген. Әрбір жол әр компоненттен кейін алынған өлшемге сәйкес келеді: жасыл - INA, көк - жолақты сүзгі және қызыл - ойық сүзгісі. Ақырғы сурет талдауды жеңілдету үшін белгілі бір ЭКГ толқынында масштабталады.

7 -қадам: Қорытынды ойлар

Тұтастай алғанда, бұл жүйе ЭКГ сигналын қабылдауға, оны күшейтуге және қажетсіз шуды жоюға арналған, сондықтан оны оңай түсіндіруге болады. Толық жүйе үшін мақсатқа жету үшін арнайы конструкциялық ерекшеліктерді ескере отырып, приборлардың күшейткіші, жолақты сүзгі және ойық сүзгісі жасалған. Бұл компоненттерді LTspice -те жобалағаннан кейін, әр компоненттің және бүкіл жүйенің дұрыстығын тексеру үшін айнымалы токты тазарту мен өтпелі талдаулардың комбинациясы жүргізілді. Бұл сынақтар жүйенің жалпы дизайны жарамды екенін және әрбір компонент күткендей жұмыс істейтінін көрсетті.

Болашақта бұл жүйені ЭКГ деректерін тексеру кезінде физикалық схемаға түрлендіруге болады. Бұл сынақтар дизайнның жарамдылығын анықтаудағы соңғы қадам болар еді. Аяқталғаннан кейін жүйені денсаулық сақтаудың әр түрлі жағдайларында қолдануға бейімделуге болады және дәрігерлерге жүрек ауруларын диагностикалауға және емдеуге көмектесу үшін қолдануға болады.