LTspice'de EKG Sinyal Modelleme: 7 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:16

EKG, kalpte meydana gelen elektrik sinyallerini ölçmek için çok yaygın bir yöntemdir. Bu prosedürün genel fikri, aritmiler, koroner arter hastalığı veya kalp krizi gibi kalp problemlerini bulmaktır. Hasta göğüs ağrısı, nefes almada zorluk veya çarpıntı adı verilen düzensiz kalp atışları gibi semptomlar yaşıyorsa gerekli olabilir, ancak kalp pillerinin ve diğer implante edilebilir cihazların düzgün çalıştığından emin olmak için de kullanılabilir. Dünya Sağlık Örgütü'nden elde edilen veriler, kardiyovasküler hastalıklarla ilgili hastalıkların küresel olarak en büyük ölüm nedenleri olduğunu göstermektedir; bu hastalıklar her yıl yaklaşık 18 milyon insanı öldürüyor. Bu nedenle bu hastalıkları izleyebilen veya keşfedebilen cihazlar inanılmaz derecede önemlidir, bu nedenle EKG geliştirilmiştir. EKG, elektrotlar çıkarıldığında bazı küçük rahatsızlıklar dışında hasta için hiçbir risk oluşturmayan tamamen invaziv olmayan bir tıbbi testtir.

Bu talimatta ana hatları verilen tam cihaz, optimum sonuçların elde edilebilmesi için gürültülü EKG sinyalini manipüle etmek için birkaç bileşenden oluşacaktır. EKG kayıtları tipik olarak düşük voltajlarda meydana gelir, bu nedenle bu sinyaller, bu durumda bir enstrümantasyon amplifikatörü ile analiz yapılmadan önce güçlendirilmelidir. Ayrıca EKG kayıtlarında gürültü çok belirgindir, bu nedenle bu sinyalleri temizlemek için filtreleme yapılmalıdır. Bu parazit çeşitli yerlerden gelebilir, bu nedenle belirli sesleri ortadan kaldırmak için farklı yaklaşımların uygulanması gerekir. Fizyolojik sinyaller yalnızca tipik bir aralıkta meydana gelir, bu nedenle bu aralığın dışındaki herhangi bir frekansı çıkarmak için bir bant geçiren filtre kullanılır. Bir EKG sinyalindeki yaygın bir gürültü, yaklaşık 60 Hz'de meydana gelen ve bir çentik filtresi ile ortadan kaldırılan güç hattı paraziti olarak adlandırılır. Bu üç bileşen, bir EKG sinyalini temizlemek ve daha kolay yorumlama ve teşhise olanak sağlamak için aynı anda çalışır ve etkinliklerini test etmek için LTspice'de modellenir.

Adım 1: Enstrümantasyon Amplifikatörünü (INA) Oluşturma

Tam cihazın ilk bileşeni, gürültülü ortamlarda bulunan küçük sinyalleri ölçebilen bir enstrümantasyon amplifikatörü (INA) idi. Bu durumda, optimal sonuçlara izin vermek için yüksek kazançlı (yaklaşık 1.000) bir İYH yapılmıştır. İlgili direnç değerleriyle birlikte INA'nın bir şeması gösterilmektedir. Bu INA'nın kazancı, kurulumun geçerli olduğunu ve direnç değerlerinin uygun olduğunu doğrulamak için teorik olarak hesaplanabilir. Denklem (1), teorik kazancın 1.000 olduğunu hesaplamak için kullanılan denklemi gösterir; burada R1 = R3, R4 = R5 ve R6 = R7.

Denklem (1): Kazanç = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

2. Adım: Bant Geçiren Filtreyi Oluşturma

Ana gürültü kaynağı, vücutta yayılan elektrik sinyallerini içerir, bu nedenle endüstri standardı, bozulmaları EKG'den çıkarmak için 0,5 Hz ve 150 Hz kesme frekanslarına sahip bir bant geçiren filtre eklemektir. Bu filtre, bu frekans aralığının dışındaki sinyalleri ortadan kaldırmak için seri olarak bir yüksek geçiş ve bir düşük geçiş filtresi kullandı. İlgili direnç ve kapasitör değerleri ile bu filtrenin şeması gösterilmektedir. Dirençlerin ve kapasitörlerin tam değerleri Denklem (2)'de gösterilen formül kullanılarak bulundu. Bu formül, biri 0,5 Hz'lik yüksek geçiş kesme frekansı ve diğeri 150 Hz'lik düşük geçiş kesme frekansı için olmak üzere iki kez kullanıldı. Her durumda, kapasitör değeri 1 μF'ye ayarlandı ve direnç değeri hesaplandı.

Denklem 2: R = 1 / (2 * pi * Kesim Frekansı * C)

Adım 3: Çentik Filtresini Oluşturma

EKG ile ilişkili diğer bir yaygın gürültü kaynağı, güç hatları ve diğer elektronik ekipmanlardan kaynaklanır, ancak bir çentik filtresi ile ortadan kaldırılmıştır. Bu filtreleme tekniği, özellikle 60 Hz'de gürültüyü gidermek için paralel olarak yüksek geçişli ve düşük geçişli bir filtre kullanmıştır. Çentik filtresinin ilgili direnç ve kapasitör değerleri ile şeması gösterilmektedir. Tam direnç ve kapasitör değerleri R1 = R2 = 2R3 ve C1 = 2C2 =2C3 olacak şekilde belirlendi. Daha sonra, 60 Hz'lik bir kesme frekansı sağlamak için, R1 1 kΩ'a ayarlandı ve Denklem (3), C1'in değerini bulmak için kullanıldı.

Denklem 3: C = 1 / (4 * pi * Kesim Frekansı * R)

Adım 4: Tam Sistemin Oluşturulması

Son olarak, tüm cihazın düzgün şekilde çalıştığından emin olmak için üç bileşenin tümü test edildi. Tam sistem uygulandığında belirli bileşen değerleri değişmedi ve simülasyon parametreleri Şekil 4'te yer alıyor. Her parça aşağıdaki sırayla birbirine seri olarak bağlandı: INA, bant geçiren filtre ve çentik filtresi. Filtreler değiştirilebilir olsa da, herhangi bir filtreleme gerçekleşmeden önce amplifikasyonun gerçekleşebilmesi için INA ilk bileşen olarak kalmalıdır.

Adım 5: Her Bileşenin Test Edilmesi

Bu sistemin geçerliliğini test etmek için önce her bir bileşen ayrı ayrı test edilmiş, ardından tüm sistem test edilmiştir. Her test için giriş sinyali, sistemin mümkün olduğu kadar doğru olabilmesi için tipik bir fizyolojik sinyal aralığı (5 mV ve 1 kHz) içinde olacak şekilde ayarlandı. Kazancın iki yöntem kullanılarak belirlenebilmesi için INA için bir AC süpürme ve geçici durum analizi tamamlandı (Denklem (4) ve (5)). Filtrelerin her ikisi de, kesme frekanslarının istenen değerlerde oluştuğundan emin olmak için bir AC taraması kullanılarak test edildi.

Denklem 4: Kazanç = 10 ^ (dB / 20) Denklem 5: Kazanç = Çıkış Gerilimi / Giriş Gerilimi

Gösterilen ilk görüntü, INA'nın AC taramasıdır, ikinci ve üçüncü, giriş ve çıkış voltajları için INA'nın geçici analizidir. Dördüncüsü, bant geçiren filtrenin AC taraması ve beşincisi, çentik filtresinin AC taramasıdır.

Adım 6: Tam Sistemi Test Etme

Son olarak, tüm sistem bir AC taraması ve geçici analiz ile test edildi; ancak bu sisteme giriş gerçek bir EKG sinyaliydi. Yukarıdaki ilk görüntü, AC taramasının sonuçlarını gösterirken, ikincisi, geçici analizin sonuçlarını gösterir. Her satır, her bileşenden sonra alınan bir ölçüme karşılık gelir: yeşil - INA, mavi - bant geçiren filtre ve kırmızı - çentik filtresi. Son görüntü, daha kolay analiz için belirli bir EKG dalgasını yakınlaştırır.

7. Adım: Son Düşünceler

Genel olarak, bu sistem bir EKG sinyalini almak, yükseltmek ve kolayca yorumlanabilmesi için istenmeyen gürültüleri ortadan kaldırmak üzere tasarlanmıştır. Tam sistem için, amaca ulaşmak için belirli tasarım özellikleri verilerek bir enstrümantasyon amplifikatörü, bir bant geçiren filtre ve bir çentik filtresi tasarlandı. Bu bileşenleri LTspice'de tasarladıktan sonra, her bir bileşenin ve tüm sistemin geçerliliğini test etmek için AC süpürme ve geçici analizlerin bir kombinasyonu gerçekleştirildi. Bu testler, sistemin genel tasarımının geçerli olduğunu ve her bir bileşenin beklendiği gibi çalıştığını gösterdi.

Gelecekte, bu sistem, canlı EKG verilerini test etmek için fiziksel bir devreye dönüştürülebilir. Bu testler, tasarımın geçerli olup olmadığını belirlemede son adım olacaktır. Tamamlandığında, sistem çeşitli sağlık bakım ortamlarında kullanılmak üzere uyarlanabilir ve klinisyenlerin kalp hastalıklarını teşhis ve tedavi etmelerine yardımcı olmak için kullanılabilir.