ეკგ სიგნალის მოდელირება LTspice– ში: 7 ნაბიჯი

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:15

ეკგ ძალიან გავრცელებული მეთოდია გულის სიგნალების გასაზომად. ამ პროცედურის ზოგადი იდეაა გულის პრობლემების პოვნა, როგორიცაა არითმია, კორონარული არტერიის დაავადება ან გულის შეტევა. შეიძლება საჭირო გახდეს, თუ პაციენტს აღენიშნება სიმპტომები, როგორიცაა გულმკერდის ტკივილი, სუნთქვის გაძნელება ან არათანაბარი გულისცემა, რომელსაც ეწოდება პალპიტაცია, მაგრამ ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას იმის უზრუნველსაყოფად, რომ კარდიოსტიმულატორები და სხვა იმპლანტირებადი მოწყობილობები სწორად ფუნქციონირებენ. ჯანდაცვის მსოფლიო ორგანიზაციის მონაცემები აჩვენებს, რომ გულ-სისხლძარღვთა დაავადებები სიკვდილიანობის ყველაზე დიდი მიზეზია გლობალურად; ეს დაავადებები ყოველწლიურად კლავს დაახლოებით 18 მილიონ ადამიანს. ამიტომ, მოწყობილობები, რომლებსაც შეუძლიათ ამ დაავადებების მონიტორინგი ან აღმოჩენა, წარმოუდგენლად მნიშვნელოვანია, რის გამოც შეიქმნა ეკგ. ეკგ არის სრულიად არაინვაზიური სამედიცინო ტესტი, რომელიც არანაირ საფრთხეს არ უქმნის პაციენტს, გარდა მცირედი დისკომფორტისა ელექტროდების მოხსნისას.

ამ ინსტრუქციაში აღწერილი სრული მოწყობილობა შედგება რამდენიმე კომპონენტისგან, რათა მოახდინოს ხმაურიანი ეკგ სიგნალის მანიპულირება ისე, რომ შესაძლებელი იყოს ოპტიმალური შედეგების მიღება. ეკგ ჩაწერა ხდება ჩვეულებრივ დაბალ ძაბვებზე, ამიტომ ეს სიგნალები უნდა გაძლიერდეს ანალიზის დაწყებამდე, ამ შემთხვევაში ინსტრუმენტული გამაძლიერებლით. ასევე, ხმაური ძალიან მნიშვნელოვანია ეკგ ჩანაწერებში, ამიტომ ფილტრაცია უნდა მოხდეს ამ სიგნალების გასაწმენდად. ეს ჩარევა შეიძლება წარმოიშვას სხვადასხვა ადგილიდან, ამიტომ განსხვავებული მიდგომები უნდა იქნას მიღებული კონკრეტული ხმების მოსაშორებლად. ფიზიოლოგიური სიგნალები მხოლოდ ტიპურ დიაპაზონში ხდება, ამიტომ bandpass ფილტრი გამოიყენება ამ დიაპაზონის გარეთ ნებისმიერი სიხშირის ამოსაღებად. ეკგ სიგნალში გავრცელებულ ხმაურს ეწოდება ელექტროგადამცემი ხაზის ჩარევა, რომელიც ხდება დაახლოებით 60 ჰც -ზე და ამოღებულია მაღალი დონის ფილტრით. ეს სამი კომპონენტი მუშაობს პარალელურად ეკგ სიგნალის გასაწმენდად და იძლევა უფრო ადვილად ინტერპრეტაციას და დიაგნოზს და მოდელირდება LTspice– ში მათი ეფექტურობის შესამოწმებლად.

ნაბიჯი 1: აპარატურის გამაძლიერებლის შექმნა (INA)

სრული მოწყობილობის პირველი კომპონენტი იყო ინსტრუმენტების გამაძლიერებელი (INA), რომელსაც შეუძლია გაზომოთ ხმაურიან გარემოში ნაპოვნი მცირე სიგნალები. ამ შემთხვევაში, INA გაკეთდა მაღალი მოგებით (დაახლოებით 1 000) ოპტიმალური შედეგის მისაღწევად. ნაჩვენებია INA- ს სქემა მისი შესაბამისი რეზისტორის მნიშვნელობებით. ამ INA– ს მოგება შეიძლება გამოითვალოს თეორიულად იმის დასადასტურებლად, რომ კონფიგურაცია მოქმედი იყო და რომ რეზისტორის მნიშვნელობები შესაბამისი იყო. განტოლება (1) გვიჩვენებს განტოლებას, რომელიც გამოიყენება გამოსათვლელად, რომ თეორიული მოგება იყო 1, 000, სადაც R1 = R3, R4 = R5 და R6 = R7.

განტოლება (1): მოგება = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

ნაბიჯი 2: შექმენით Bandpass ფილტრი

ხმაურის ძირითადი წყარო მოიცავს ელექტრო სიგნალებს, რომლებიც ვრცელდება სხეულში, ამიტომ ინდუსტრიის სტანდარტი მოიცავს bandpass ფილტრს 0.5 Hz და 150 Hz სიხშირით, ეკგ -დან დამახინჯების მოსაშორებლად. ამ ფილტრმა გამოიყენა მაღალი გამავლობისა და დაბალი გამავლობის ფილტრი სერიულად ამ სიხშირის დიაპაზონის მიღმა სიგნალების აღმოსაფხვრელად. ნაჩვენებია ამ ფილტრის სქემა მისი შესაბამისი რეზისტორისა და კონდენსატორის მნიშვნელობებით. რეზისტორებისა და კონდენსატორების ზუსტი მნიშვნელობები იქნა ნაპოვნი განტოლებაში (2) ნაჩვენები ფორმულის გამოყენებით. ეს ფორმულა ორჯერ იქნა გამოყენებული, ერთი მაღალი გამავლობის სიხშირისთვის 0.5 ჰც და მეორე დაბალი გავლის სიხშირე 150 ჰც. თითოეულ შემთხვევაში, კონდენსატორის მნიშვნელობა განისაზღვრა 1 μF, ხოლო რეზისტორის მნიშვნელობა გამოითვლება.

განტოლება 2: R = 1 / (2 * pi * შეწყვეტის სიხშირე * C)

ნაბიჯი 3: შექმენით მაღალი დონის ფილტრი

ეკგ -სთან დაკავშირებული ხმაურის კიდევ ერთი გავრცელებული წყარო გამოწვეულია ელექტროგადამცემი ხაზებით და სხვა ელექტრონული აღჭურვილობით, მაგრამ აღმოფხვრილია მაღალი დონის ფილტრით. ამ გაფილტვრის ტექნიკამ გამოიყენა მაღალი უღელტეხილი და დაბალი გავლის ფილტრი პარალელურად ხმაურის მოსაშორებლად სპეციალურად 60 ჰც. ნაჩვენებია მაღალი დონის ფილტრის სქემა მისი შესაბამისი რეზისტორისა და კონდენსატორის მნიშვნელობებით. რეზისტორისა და კონდენსატორის ზუსტი მნიშვნელობები განისაზღვრა ისე, რომ R1 = R2 = 2R3 და C1 = 2C2 = 2C3. შემდეგ, 60 ჰც სიხშირის უზრუნველსაყოფად, R1 დაყენდა 1 kΩ და განტოლება (3) გამოიყენეს C1 მნიშვნელობის საპოვნელად.

განტოლება 3: C = 1 / (4 * pi * შეწყვეტის სიხშირე * R)

ნაბიჯი 4: სრული სისტემის შექმნა

დაბოლოს, სამივე კომპონენტი კომბინირებულად იქნა შემოწმებული იმის უზრუნველსაყოფად, რომ მთელი სრული მოწყობილობა გამართულად ფუნქციონირებდა. სრული სისტემის დანერგვისას კომპონენტის კონკრეტული ღირებულებები არ შეცვლილა და სიმულაციის პარამეტრები მოცემულია ფიგურაში 4. თითოეული ნაწილი სერიულად იყო დაკავშირებული ერთმანეთთან შემდეგი თანმიმდევრობით: INA, bandpass ფილტრი და მაღალი დონის ფილტრი. მიუხედავად იმისა, რომ ფილტრები შეიძლება შეიცვალოს, INA უნდა დარჩეს როგორც პირველი კომპონენტი, ისე რომ გაძლიერება მოხდეს ნებისმიერი ფილტრაციის დაწყებამდე.

ნაბიჯი 5: თითოეული კომპონენტის ტესტირება

ამ სისტემის მოქმედების შესამოწმებლად, თითოეული კომპონენტი ჯერ ცალკე განიცადა, შემდეგ კი მთელი სისტემა. თითოეული ტესტისთვის, შეყვანის სიგნალი უნდა იყოს ფიზიოლოგიური სიგნალების ტიპიურ დიაპაზონში (5 მვ და 1 კჰც), რათა სისტემა იყოს მაქსიმალურად ზუსტი. AC გაწმენდისა და გარდამავალი ანალიზი დასრულდა INA– სთვის, ასე რომ მოგების დადგენა შესაძლებელია ორი მეთოდის გამოყენებით (განტოლებები (4) და (5)). ფილტრები ორივემ შეამოწმა AC გამწმენდის გამოყენებით, რათა უზრუნველყოს, რომ შეწყვეტის სიხშირეები მოხდეს სასურველ მნიშვნელობებზე.

განტოლება 4: მოგება = 10 ^ (დბ / 20) განტოლება 5: მოგება = გამომავალი ძაბვა / შეყვანის ძაბვა

ნაჩვენები პირველი სურათი არის INA– ს AC გაწმენდა, მეორე და მესამე არის INA– ს გარდამავალი ანალიზი შემავალი და გამომავალი ძაბვებისათვის. მეოთხე არის bandpass ფილტრის AC გაწმენდა და მეხუთე არის მაღალი დონის ფილტრის AC გამწმენდი.

ნაბიჯი 6: სრული სისტემის ტესტირება

დაბოლოს, სრული სისტემა შემოწმდა AC გამწმენდი და გარდამავალი ანალიზით; თუმცა, ამ სისტემაში შეყვანის ფაქტობრივი ეკგ სიგნალი იყო. პირველი სურათი აჩვენებს AC გაწმენდის შედეგებს, ხოლო მეორე გვიჩვენებს გარდამავალი ანალიზის შედეგებს. თითოეული ხაზი შეესაბამება გაზომვას თითოეული კომპონენტის შემდეგ: მწვანე - INA, ლურჯი - ზოლებიანი ფილტრი და წითელი - მაღალი დონის ფილტრი. საბოლოო სურათი ადიდებს ერთ კონკრეტულ ეკგ ტალღას უფრო ადვილი ანალიზისთვის.

ნაბიჯი 7: საბოლოო აზრები

საერთო ჯამში, ეს სისტემა შექმნილია იმისთვის, რომ მიიღოს ეკგ სიგნალი, გააძლიეროს იგი და ამოიღოს ნებისმიერი არასასურველი ხმაური, რათა მისი ადვილად ინტერპრეტაცია მოხდეს. სრული სისტემისთვის, მიზნის მისაღწევად შეიქმნა ინსტრუმენტული გამაძლიერებელი, ზოლებიანი ფილტრი და მაღალი დონის ფილტრი. LTspice– ში ამ კომპონენტების შემუშავების შემდეგ, ჩატარდა AC გამწმენდი და გარდამავალი ანალიზების კომბინაცია თითოეული კომპონენტისა და მთელი სისტემის მოქმედების შესამოწმებლად. ამ ტესტებმა აჩვენა, რომ სისტემის საერთო დიზაინი მართებული იყო და რომ თითოეული კომპონენტი ფუნქციონირებდა ისე, როგორც მოსალოდნელი იყო.

მომავალში, ეს სისტემა შეიძლება გადაკეთდეს ფიზიკურ წრედში ეკგ -ს ცოცხალი მონაცემების შესამოწმებლად. ეს ტესტები იქნება საბოლოო ნაბიჯი იმის დასადგენად, არის თუ არა დიზაინი მართებული. დასრულების შემდეგ, სისტემა შეიძლება ადაპტირდეს, რომ გამოიყენოს ჯანდაცვის სხვადასხვა დაწესებულებებში და გამოიყენოს ექიმების გულის დაავადებების დიაგნოზირებისა და მკურნალობის დასახმარებლად.