Modellazione del segnale ECG in LTspice: 7 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

Un ECG è un metodo molto comune per misurare i segnali elettrici che si verificano nel cuore. L'idea generale di questa procedura è trovare problemi cardiaci, come aritmie, malattie coronariche o attacchi di cuore. Potrebbe essere necessario se il paziente manifesta sintomi come dolore toracico, difficoltà respiratorie o battito cardiaco irregolare chiamato palpitazioni, ma può anche essere utilizzato per garantire che i pacemaker e altri dispositivi impiantabili funzionino correttamente. I dati dell'Organizzazione Mondiale della Sanità mostrano che le malattie cardiovascolari sono le maggiori cause di morte a livello globale; queste malattie uccidono circa 18 milioni di persone ogni anno. Pertanto, i dispositivi in grado di monitorare o scoprire queste malattie sono incredibilmente importanti, motivo per cui è stato sviluppato l'ECG. L'ECG è un test medico completamente non invasivo che non comporta alcun rischio per il paziente, tranne che per qualche lieve disagio quando gli elettrodi vengono rimossi.

Il dispositivo completo delineato in questa istruzione consisterà di diversi componenti per manipolare il segnale ECG rumoroso in modo da ottenere risultati ottimali. Le registrazioni dell'ECG avvengono a tensioni tipicamente basse, quindi questi segnali dovrebbero essere amplificati prima che l'analisi possa avvenire, in questo caso con un amplificatore per strumentazione. Inoltre, il rumore è molto importante nelle registrazioni ECG, quindi il filtraggio deve avvenire per pulire questi segnali. Questa interferenza può provenire da una varietà di luoghi, quindi è necessario adottare approcci diversi per rimuovere rumori specifici. I segnali fisiologici si verificano solo in un intervallo tipico, quindi viene utilizzato un filtro passa-banda per rimuovere tutte le frequenze al di fuori di questo intervallo. Un rumore comune in un segnale ECG è chiamato interferenza della linea di alimentazione, che si verifica a circa 60 Hz e viene rimosso con un filtro notch. Questi tre componenti lavorano contemporaneamente per pulire un segnale ECG e consentono una più facile interpretazione e diagnosi e saranno modellati in LTspice per testarne l'efficacia.

Passaggio 1: costruzione dell'amplificatore per strumentazione (INA)

Il primo componente del dispositivo completo era un amplificatore per strumentazione (INA), in grado di misurare piccoli segnali trovati in ambienti rumorosi. In questo caso è stato realizzato un INA con un guadagno elevato (circa 1.000) per consentire risultati ottimali. Viene mostrato uno schema dell'INA con i rispettivi valori di resistenza. Il guadagno di questo INA può essere calcolato teoricamente per confermare che la configurazione era valida e che i valori del resistore erano appropriati. L'equazione (1) mostra l'equazione utilizzata per calcolare che il guadagno teorico era 1.000, dove R1 = R3, R4 = R5 e R6 = R7.

Equazione (1): Guadagno = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Passaggio 2: creazione del filtro passabanda

Una delle principali fonti di rumore sono i segnali elettrici che si propagano attraverso il corpo, quindi lo standard industriale prevede l'inclusione di un filtro passa-banda con frequenze di taglio di 0,5 Hz e 150 Hz per rimuovere le distorsioni dall'ECG. Questo filtro utilizzava un filtro passa alto e un filtro passa basso in serie per eliminare i segnali al di fuori di questa gamma di frequenza. Viene mostrato lo schema di questo filtro con i rispettivi valori di resistore e condensatore. I valori esatti dei resistori e dei condensatori sono stati trovati utilizzando la formula mostrata nell'equazione (2). Questa formula è stata utilizzata due volte, una per la frequenza di taglio passa alto di 0,5 Hz e una per la frequenza di taglio passa basso di 150 Hz. In ogni caso, il valore del condensatore è stato impostato su 1 μF ed è stato calcolato il valore del resistore.

Equazione 2: R = 1 / (2 * pi greco * frequenza di taglio * C)

Passaggio 3: creazione del filtro notch

Un'altra fonte comune di rumore associata all'ECG è causata da linee elettriche e altre apparecchiature elettroniche, ma è stata eliminata con un filtro notch. Questa tecnica di filtraggio utilizzava un filtro passa alto e un filtro passa basso in parallelo per rimuovere il rumore specificamente a 60 Hz. Viene mostrato lo schema del filtro notch con i rispettivi valori di resistore e condensatore. I valori esatti del resistore e del condensatore sono stati determinati in modo tale che R1 = R2 = 2R3 e C1 = 2C2 =2C3. Quindi, per garantire una frequenza di taglio di 60 Hz, R1 è stato impostato su 1 kΩ e l'equazione (3) è stata utilizzata per trovare il valore di C1.

Equazione 3: C = 1 / (4 * pi greco * frequenza di taglio * R)

Passaggio 4: costruire il sistema completo

Infine, tutti e tre i componenti sono stati testati insieme per garantire che l'intero dispositivo funzionasse correttamente. I valori dei componenti specifici non sono cambiati quando è stato implementato il sistema completo e i parametri di simulazione sono inclusi nella Figura 4. Ogni parte è stata collegata in serie l'una all'altra nel seguente ordine: INA, filtro passa banda e filtro notch. Sebbene i filtri possano essere scambiati, l'INA dovrebbe rimanere come primo componente, in modo che l'amplificazione possa avvenire prima che avvenga qualsiasi filtraggio.

Passaggio 5: test di ogni componente

Per testare la validità di questo sistema, ogni componente è stato prima testato separatamente, quindi è stato testato l'intero sistema. Per ogni test, il segnale di ingresso è stato impostato per rientrare in un intervallo tipico di segnali fisiologici (5 mV e 1 kHz), in modo che il sistema potesse essere il più accurato possibile. Sono stati completati uno sweep AC e un'analisi transitoria per l'INA, in modo che il guadagno potesse essere determinato utilizzando due metodi (Equazioni (4) e (5)). I filtri sono stati entrambi testati utilizzando uno sweep AC per garantire che le frequenze di taglio si verificassero ai valori desiderati.

Equazione 4: Guadagno = 10 ^ (dB / 20) Equazione 5: Guadagno = Tensione di uscita / Tensione di ingresso

La prima immagine mostrata è la scansione CA dell'INA, la seconda e la terza sono l'analisi transitoria dell'INA per le tensioni di ingresso e di uscita. Il quarto è lo sweep AC del filtro passa-banda e il quinto è lo sweep AC del filtro notch.

Passaggio 6: test dell'intero sistema

Infine, l'intero sistema è stato testato con uno sweep AC e un'analisi transitoria; tuttavia, l'input a questo sistema era un segnale ECG effettivo. La prima immagine sopra mostra i risultati della scansione AC, mentre la seconda mostra i risultati dell'analisi transitoria. Ogni riga corrisponde a una misurazione eseguita dopo ogni componente: verde - INA, blu - filtro passa-banda e rosso - filtro notch. L'immagine finale ingrandisce una particolare onda ECG per un'analisi più semplice.

Passaggio 7: considerazioni finali

Nel complesso, questo sistema è stato progettato per ricevere un segnale ECG, amplificarlo e rimuovere qualsiasi rumore indesiderato in modo che possa essere facilmente interpretato. Per l'intero sistema, sono stati progettati un amplificatore per strumentazione, un filtro passa-banda e un filtro notch date particolari specifiche di progettazione per raggiungere l'obiettivo. Dopo aver progettato questi componenti in LTspice, è stata condotta una combinazione di AC sweep e analisi transitorie per testare la validità di ciascun componente e dell'intero sistema. Questi test hanno mostrato che la progettazione complessiva del sistema era valida e che ogni componente funzionava come previsto.

In futuro, questo sistema può essere convertito in un circuito fisico per testare i dati ECG in tempo reale. Questi test sarebbero il passo finale per determinare se il progetto è valido. Una volta completato, il sistema può essere adattato per essere utilizzato in vari contesti sanitari e per aiutare i medici a diagnosticare e curare le malattie cardiache.