Pemodelan Isyarat ECG dalam LTspice: 7 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:06

ECG adalah kaedah yang sangat biasa untuk mengukur isyarat elektrik yang berlaku di jantung. Idea umum prosedur ini adalah untuk mencari masalah jantung, seperti aritmia, penyakit arteri koronari, atau serangan jantung. Mungkin diperlukan jika pesakit mengalami gejala seperti sakit dada, kesukaran bernafas, atau detak jantung tidak rata yang disebut berdebar, tetapi juga dapat digunakan untuk memastikan bahawa alat pacu jantung dan alat implan lainnya berfungsi dengan baik. Data dari Pertubuhan Kesihatan Sedunia menunjukkan bahawa penyakit berkaitan kardiovaskular adalah penyebab kematian terbesar di dunia; penyakit ini membunuh kira-kira 18 juta orang setiap tahun. Oleh itu, alat yang dapat memantau atau menemui penyakit ini sangat penting, sebab itulah ECG dikembangkan. ECG adalah ujian perubatan sepenuhnya yang tidak invasif dan tidak menimbulkan risiko kepada pesakit, kecuali sedikit ketidakselesaan ketika elektrod dikeluarkan.

Peranti lengkap yang digariskan dalam instruksi ini akan terdiri daripada beberapa komponen untuk memanipulasi isyarat ECG yang bising sehingga hasil yang optimum dapat diperoleh. Rakaman ECG berlaku pada voltan biasanya rendah, jadi isyarat ini harus diperkuat sebelum analisis dapat terjadi, dalam hal ini dengan penguat instrumen. Juga, kebisingan sangat ketara dalam rakaman EKG, jadi penyaringan mesti dilakukan untuk membersihkan isyarat ini. Gangguan ini boleh datang dari berbagai tempat, oleh itu perlu dilakukan pendekatan yang berbeza untuk menghilangkan suara tertentu. Isyarat fisiologi hanya berlaku pada julat khas, jadi penapis jalur lebar digunakan untuk menghilangkan frekuensi di luar julat ini. Bunyi biasa dalam isyarat ECG disebut gangguan saluran kuasa, yang berlaku pada kira-kira 60 Hz dan dikeluarkan dengan penapis takik. Ketiga-tiga komponen ini berfungsi secara bersamaan untuk membersihkan isyarat EKG dan memungkinkan penafsiran dan diagnosis yang lebih mudah dan akan dimodelkan dalam LTspice untuk menguji keberkesanannya.

Langkah 1: Membangun Instrumentation Amplifier (INA)

Komponen pertama peranti penuh adalah penguat instrumentasi (INA), yang dapat mengukur isyarat kecil yang terdapat di persekitaran yang bising. Dalam kes ini, INA dibuat dengan keuntungan tinggi (sekitar 1, 000) untuk memungkinkan hasil yang optimum. Skema INA dengan nilai perintang masing-masing ditunjukkan. Keuntungan INA ini dapat dikira secara teorinya untuk mengesahkan bahawa penyediaan itu sah dan nilai perintang sesuai. Persamaan (1) menunjukkan persamaan yang digunakan untuk mengira bahawa keuntungan teoritis adalah 1, 000, di mana R1 = R3, R4 = R5, dan R6 = R7.

Persamaan (1): Keuntungan = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Langkah 2: Membina Bandpass Filter

Punca kebisingan utama merangkumi isyarat elektrik yang menyebarkan ke seluruh badan, jadi standard industri adalah memasukkan penapis jalur lebar dengan frekuensi pemotongan 0,5 Hz dan 150 Hz untuk menghilangkan gangguan dari ECG. Penapis ini menggunakan saringan lulus tinggi dan lulus rendah secara bersiri untuk menghilangkan isyarat di luar julat frekuensi ini. Skema penapis ini dengan nilai perintang dan kapasitornya ditunjukkan. Nilai perintang dan kapasitor yang tepat didapati menggunakan formula yang ditunjukkan dalam Persamaan (2). Formula ini digunakan dua kali, satu untuk frekuensi cut pass tinggi 0,5 Hz dan satu untuk frekuensi cut pass rendah 150 Hz. Dalam setiap kes, nilai kapasitor ditetapkan ke 1 μF, dan nilai perintang dihitung.

Persamaan 2: R = 1 / (2 * pi * Frekuensi Potong * C)

Langkah 3: Membina Notch Filter

Satu lagi sumber kebisingan yang biasa dikaitkan dengan ECG disebabkan oleh talian kuasa dan peralatan elektronik lain tetapi dihapuskan dengan penekan takik. Teknik penapisan ini menggunakan saringan lulus tinggi dan lulus rendah selari untuk menghilangkan kebisingan secara khusus pada 60 Hz. Skema penekan takik dengan nilai perintang dan kapasitornya ditunjukkan. Nilai perintang dan kapasitor yang tepat ditentukan sedemikian rupa sehingga R1 = R2 = 2R3 dan C1 = 2C2 = 2C3. Kemudian, untuk memastikan frekuensi pemotongan 60 Hz, R1 ditetapkan ke 1 kΩ, dan Persamaan (3) digunakan untuk mencari nilai C1.

Persamaan 3: C = 1 / (4 * pi * Frekuensi Potong * R)

Langkah 4: Membina Sistem Penuh

Akhirnya, ketiga-tiga komponen digabungkan diuji untuk memastikan keseluruhan peranti berfungsi dengan baik. Nilai komponen tertentu tidak berubah ketika sistem penuh dilaksanakan, dan parameter simulasi termasuk dalam Gambar 4. Setiap bahagian dihubungkan secara seri satu sama lain dalam urutan berikut: INA, penapis jalur lebar, dan saringan takik. Walaupun filter dapat ditukar, INA harus tetap menjadi komponen pertama, sehingga penguatan dapat terjadi sebelum penyaringan dilakukan.

Langkah 5: Menguji Setiap Komponen

Untuk menguji kesahan sistem ini, setiap komponen pertama kali diuji secara berasingan, dan kemudian keseluruhan sistem diuji. Untuk setiap ujian, sinyal input ditetapkan berada dalam rentang khas isyarat fisiologi (5 mV dan 1 kHz), sehingga sistem dapat seakurat mungkin. Analisis penyapu AC dan sementara diselesaikan untuk INA, sehingga keuntungan dapat ditentukan menggunakan dua kaedah (Persamaan (4) dan (5)). Kedua-dua saringan diuji menggunakan sapuan AC untuk memastikan bahawa frekuensi pemotongan berlaku pada nilai yang diinginkan.

Persamaan 4: Keuntungan = 10 ^ (dB / 20) Persamaan 5: Keuntungan = Voltan Keluaran / Voltan Input

Gambar pertama yang ditunjukkan adalah penyapu AC dari INA, yang kedua dan ketiga adalah analisis sementara INA untuk voltan input dan output. Yang keempat adalah sapuan AC dari saringan jalur lebar, dan yang kelima adalah sapuan AC dari saringan takik.

Langkah 6: Menguji Sistem Penuh

Akhirnya, sistem penuh diuji dengan sapuan AC dan analisis sementara; namun, input ke sistem ini adalah isyarat ECG yang sebenarnya. Gambar pertama di atas menunjukkan hasil sapuan AC, sementara yang kedua menunjukkan hasil analisis sementara. Setiap baris sesuai dengan pengukuran setelah setiap komponen: hijau - INA, saringan biru - jalur lebar, dan penapis tak merah. Gambar akhir memperbesar satu gelombang ECG tertentu untuk analisis yang lebih mudah.

Langkah 7: Pemikiran Akhir

Secara keseluruhan, sistem ini dirancang untuk mengambil isyarat EKG, memperkuatnya, dan mengeluarkan bunyi yang tidak diingini sehingga dapat ditafsirkan dengan mudah. Untuk sistem penuh, penguat instrumentasi, penapis jalur lebar, dan penapis takik dirancang dengan spesifikasi reka bentuk tertentu untuk mencapai objektif. Setelah merancang komponen-komponen ini dalam LTspice, kombinasi penyapu AC dan analisis sementara dilakukan untuk menguji kesahan setiap komponen dan keseluruhan sistem. Ujian ini menunjukkan bahawa keseluruhan reka bentuk sistem berlaku dan setiap komponen berfungsi seperti yang diharapkan.

Pada masa akan datang, sistem ini dapat ditukar menjadi litar fizikal untuk diuji semasa data ECG langsung. Ujian ini akan menjadi langkah terakhir untuk menentukan apakah reka bentuknya sah. Setelah selesai, sistem ini dapat disesuaikan untuk digunakan dalam berbagai lingkungan perawatan kesehatan dan digunakan untuk membantu dokter mendiagnosis dan merawat penyakit jantung.