EKG-Signalmodellierung in LTspice - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

Ein EKG ist eine sehr gängige Methode zur Messung elektrischer Signale, die im Herzen auftreten. Die allgemeine Idee dieses Verfahrens besteht darin, Herzprobleme wie Arrhythmien, koronare Herzkrankheit oder Herzinfarkte zu finden. Es kann notwendig sein, wenn der Patient Symptome wie Brustschmerzen, Atembeschwerden oder ungleichmäßige Herzschläge, so genannte Herzklopfen, verspürt, kann aber auch verwendet werden, um sicherzustellen, dass Herzschrittmacher und andere implantierbare Geräte richtig funktionieren. Daten der Weltgesundheitsorganisation zeigen, dass Herz-Kreislauf-Erkrankungen weltweit die häufigsten Todesursachen sind; an diesen Krankheiten sterben jedes Jahr etwa 18 Millionen Menschen. Daher sind Geräte, die diese Krankheiten überwachen oder entdecken können, unglaublich wichtig, weshalb das EKG entwickelt wurde. Das EKG ist ein vollständig nicht-invasiver medizinischer Test, der für den Patienten kein Risiko darstellt, abgesehen von geringfügigen Beschwerden beim Entfernen der Elektroden.

Das in dieser Anleitung beschriebene vollständige Gerät besteht aus mehreren Komponenten, um das verrauschte EKG-Signal so zu manipulieren, dass optimale Ergebnisse erzielt werden können. EKG-Aufzeichnungen erfolgen bei typischerweise niedrigen Spannungen, daher sollten diese Signale verstärkt werden, bevor eine Analyse erfolgen kann, in diesem Fall mit einem Instrumentenverstärker. Außerdem ist das Rauschen bei EKG-Aufzeichnungen sehr auffällig, daher muss eine Filterung erfolgen, um diese Signale zu reinigen. Diese Interferenzen können von verschiedenen Orten ausgehen, daher müssen unterschiedliche Ansätze verfolgt werden, um bestimmte Geräusche zu entfernen. Physiologische Signale treten nur in einem typischen Bereich auf, daher wird ein Bandpassfilter verwendet, um alle Frequenzen außerhalb dieses Bereichs zu entfernen. Ein häufiges Rauschen in einem EKG-Signal wird als Netzstörung bezeichnet, die bei etwa 60 Hz auftritt und mit einem Kerbfilter entfernt wird. Diese drei Komponenten arbeiten gleichzeitig, um ein EKG-Signal zu reinigen und ermöglichen eine einfachere Interpretation und Diagnose und werden in LTspice modelliert, um ihre Wirksamkeit zu testen.

Schritt 1: Aufbau des Instrumentierungsverstärkers (INA)

Die erste Komponente des vollständigen Geräts war ein Instrumentenverstärker (INA), der kleine Signale in verrauschten Umgebungen messen kann. In diesem Fall wurde ein INA mit einer hohen Verstärkung (ca. 1.000) erstellt, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Ein Schema des INA mit seinen jeweiligen Widerstandswerten wird gezeigt. Die Verstärkung dieses INA kann theoretisch berechnet werden, um zu bestätigen, dass das Setup gültig war und die Widerstandswerte angemessen waren. Gleichung (1) zeigt die Gleichung, die verwendet wurde, um zu berechnen, dass die theoretische Verstärkung 1.000 betrug, wobei R1 = R3, R4 = R5 und R6 = R7 ist.

Gleichung (1): Verstärkung = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Schritt 2: Aufbau des Bandpassfilters

Eine Hauptrauschquelle sind elektrische Signale, die sich durch den Körper ausbreiten, so dass der Industriestandard ein Bandpassfilter mit Grenzfrequenzen von 0,5 Hz und 150 Hz enthält, um die Verzerrungen aus dem EKG zu entfernen. Dieser Filter verwendet einen Hochpass- und einen Tiefpassfilter in Reihe, um Signale außerhalb dieses Frequenzbereichs zu eliminieren. Das Schema dieses Filters mit seinen jeweiligen Widerstands- und Kondensatorwerten wird gezeigt. Die genauen Werte der Widerstände und Kondensatoren wurden unter Verwendung der in Gleichung (2) gezeigten Formel ermittelt. Diese Formel wurde zweimal verwendet, eine für die Hochpass-Grenzfrequenz von 0,5 Hz und eine für die Tiefpass-Grenzfrequenz von 150 Hz. In jedem Fall wurde der Kondensatorwert auf 1 µF eingestellt und der Widerstandswert berechnet.

Gleichung 2: R = 1 / (2 * pi * Grenzfrequenz * C)

Schritt 3: Aufbau des Notch-Filters

Eine weitere häufige Rauschquelle im Zusammenhang mit dem EKG wird durch Stromleitungen und andere elektronische Geräte verursacht, wurde aber mit einem Notch-Filter eliminiert. Diese Filtertechnik verwendet einen Hochpass- und einen Tiefpassfilter parallel, um das Rauschen speziell bei 60 Hz zu entfernen. Das Schema des Kerbfilters mit seinen jeweiligen Widerstands- und Kondensatorwerten wird gezeigt. Die genauen Widerstands- und Kondensatorwerte wurden so bestimmt, dass R1 = R2 = 2R3 und C1 = 2C2 = 2C3 sind. Dann wurde R1 auf 1 kΩ gesetzt, um eine Grenzfrequenz von 60 Hz sicherzustellen, und Gleichung (3) wurde verwendet, um den Wert von C1 zu finden.

Gleichung 3: C = 1 / (4 * pi * Grenzfrequenz * R)

Schritt 4: Erstellen des vollständigen Systems

Schließlich wurden alle drei Komponenten kombiniert getestet, um sicherzustellen, dass das gesamte vollständige Gerät ordnungsgemäß funktioniert. Die spezifischen Komponentenwerte haben sich bei der Implementierung des Gesamtsystems nicht geändert, die Simulationsparameter sind in Bild 4 enthalten. Jedes Teil wurde in der folgenden Reihenfolge in Reihe geschaltet: INA, Bandpassfilter und Notchfilter. Während die Filter ausgetauscht werden könnten, sollte der INA als erste Komponente verbleiben, damit eine Verstärkung erfolgen kann, bevor eine Filterung stattfindet.

Schritt 5: Testen jeder Komponente

Um die Validität dieses Systems zu testen, wurde zunächst jede Komponente einzeln und dann das gesamte System getestet. Für jeden Test wurde das Eingangssignal innerhalb eines typischen Bereichs physiologischer Signale (5 mV und 1 kHz) eingestellt, damit das System so genau wie möglich sein konnte. Für den INA wurden ein AC-Sweep und eine Transientenanalyse durchgeführt, so dass die Verstärkung mit zwei Methoden (Gleichungen (4) und (5)) bestimmt werden konnte. Die Filter wurden beide mit einem AC-Sweep getestet, um sicherzustellen, dass die Grenzfrequenzen bei den gewünschten Werten auftreten.

Gleichung 4: Verstärkung = 10 ^ (dB / 20) Gleichung 5: Verstärkung = Ausgangsspannung / Eingangsspannung

Das erste gezeigte Bild ist der AC-Sweep des INA, das zweite und dritte die Transientenanalyse des INA für die Eingangs- und Ausgangsspannungen. Der vierte ist der AC-Sweep des Bandpassfilters und der fünfte ist der AC-Sweep des Notch-Filters.

Schritt 6: Testen des vollständigen Systems

Schließlich wurde das Gesamtsystem mit einem AC-Sweep und einer Transientenanalyse getestet; jedoch war die Eingabe in dieses System ein tatsächliches EKG-Signal. Das erste Bild oben zeigt die Ergebnisse des AC-Sweeps, während das zweite die Ergebnisse der Transientenanalyse zeigt. Jede Zeile entspricht einer Messung nach jeder Komponente: grün - INA, blau - Bandpassfilter und rot - Kerbfilter. Das endgültige Bild vergrößert eine bestimmte EKG-Welle zur einfacheren Analyse.

Schritt 7: Letzte Gedanken

Insgesamt wurde dieses System entwickelt, um ein EKG-Signal aufzunehmen, zu verstärken und unerwünschtes Rauschen zu entfernen, damit es leicht interpretiert werden kann. Für das Gesamtsystem wurden ein Instrumentenverstärker, ein Bandpassfilter und ein Notchfilter mit bestimmten Designspezifikationen entworfen, um das Ziel zu erreichen. Nach dem Entwerfen dieser Komponenten in LTspice wurde eine Kombination aus AC-Sweep und Transientenanalysen durchgeführt, um die Gültigkeit jeder Komponente und des gesamten Systems zu testen. Diese Tests zeigten, dass das Gesamtdesign des Systems gültig war und dass jede Komponente wie erwartet funktionierte.

In Zukunft kann dieses System in eine physische Schaltung umgewandelt werden, um Live-EKG-Daten zu testen. Diese Tests wären der letzte Schritt bei der Feststellung, ob das Design gültig ist. Nach der Fertigstellung kann das System an den Einsatz in verschiedenen Gesundheitseinrichtungen angepasst werden und Ärzten bei der Diagnose und Behandlung von Herzerkrankungen helfen.