Modelització de senyals ECG en LTspice: 7 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:10

Un ECG és un mètode molt comú per mesurar els senyals elèctrics que es produeixen al cor. La idea general d’aquest procediment és trobar problemes cardíacs, com ara arítmies, malalties coronàries o atacs cardíacs. Pot ser necessari si el pacient experimenta símptomes com dolor al pit, dificultat per respirar o batecs cardíacs desiguals anomenats palpitacions, però també es pot utilitzar per garantir que els marcapassos i altres dispositius implantables funcionin correctament. Les dades de l’Organització Mundial de la Salut mostren que les malalties cardiovasculars són les principals causes de mort a nivell mundial; aquestes malalties maten aproximadament 18 milions de persones cada any. Per tant, els dispositius que poden controlar o descobrir aquestes malalties són molt importants, per això es va desenvolupar l’ECG. L’ECG és una prova mèdica completament no invasiva que no suposa cap risc per al pacient, excepte algunes molèsties menors quan s’eliminen els elèctrodes.

El dispositiu complet descrit en aquest instructiu estarà format per diversos components per manipular el sorollós senyal ECG de manera que es puguin obtenir resultats òptims. Els enregistraments ECG es produeixen a voltatges típicament baixos, de manera que aquests senyals s’han d’amplificar abans que es puguin realitzar anàlisis, en aquest cas amb un amplificador d’instrumentació. A més, el soroll és molt important en els enregistraments d’ECG, de manera que s’ha de filtrar per netejar aquests senyals. Aquesta interferència pot provenir de diversos llocs, de manera que cal adoptar diferents enfocaments per eliminar sorolls específics. Els senyals fisiològics només es produeixen en un interval típic, de manera que s’utilitza un filtre de pas de banda per eliminar qualsevol freqüència fora d’aquest rang. Un soroll comú en un senyal d’ECG s’anomena interferència de la línia elèctrica, que es produeix aproximadament a 60 Hz i s’elimina amb un filtre de graella. Aquests tres components funcionen simultàniament per netejar un senyal d’ECG i permeten una interpretació i diagnòstics més fàcils i es modelaran a LTspice per provar-ne l’eficàcia.

Pas 1: construcció de l'amplificador d'instrumentació (INA)

El primer component del dispositiu complet era un amplificador d’instrumentació (INA), que pot mesurar petits senyals que es troben en entorns sorollosos. En aquest cas, es va fer un INA amb un guany elevat (al voltant d’1.000) per permetre resultats òptims. Es mostra un esquema de l’INA amb els seus respectius valors de resistència. El guany d’aquest INA es pot calcular teòricament per confirmar que la configuració era vàlida i que els valors de la resistència eren adequats. L'equació (1) mostra l'equació utilitzada per calcular que el guany teòric era d'1.000, on R1 = R3, R4 = R5 i R6 = R7.

Equació (1): guany = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Pas 2: Construir el filtre de pas de banda

Una font principal de soroll inclou els senyals elèctrics que es propaguen pel cos, de manera que la norma del sector és incloure un filtre de pas de banda amb freqüències de tall de 0,5 Hz i 150 Hz per eliminar les distorsions de l’ECG. Aquest filtre utilitzava un filtre de pas alt i baix en sèrie per eliminar els senyals fora d’aquest rang de freqüències. Es mostra l'esquema d'aquest filtre amb els seus respectius valors de resistència i condensador. Els valors exactes de les resistències i condensadors es van trobar utilitzant la fórmula que es mostra a l’equació (2). Aquesta fórmula es va utilitzar dues vegades, una per a la freqüència de tall de pas alt de 0,5 Hz i una per a la freqüència de tall de pas baix de 150 Hz. En cada cas, el valor del condensador es va establir a 1 μF i es va calcular el valor de la resistència.

Equació 2: R = 1 / (2 * pi * Freqüència de tall * C)

Pas 3: crear el filtre de tacs

Una altra font comuna de soroll associada a l’ECG és causada per les línies elèctriques i altres equips electrònics, però es va eliminar amb un filtre de graella. Aquesta tècnica de filtratge utilitzava un filtre de pas alt i un filtre de pas baix en paral·lel per eliminar el soroll específicament a 60 Hz. Es mostra l’esquema del filtre de graella amb els seus respectius valors de resistència i condensador. Els valors exactes de la resistència i del condensador es van determinar de manera que R1 = R2 = 2R3 i C1 = 2C2 = 2C3. Després, per assegurar una freqüència de tall de 60 Hz, R1 es va establir a 1 kΩ i es va utilitzar l’equació (3) per trobar el valor de C1.

Equació 3: C = 1 / (4 * pi * Freqüència de tall * R)

Pas 4: Construir el sistema complet

Finalment, es van provar els tres components combinats per garantir que tot el dispositiu funcionava correctament. Els valors dels components específics no van canviar quan es va implementar el sistema complet, i els paràmetres de simulació s’inclouen a la figura 4. Cada part es va connectar en sèrie entre si en l’ordre següent: INA, filtre de pas de banda i filtre de graella. Tot i que es podrien intercanviar els filtres, l'INA hauria de quedar com a primer component, de manera que es pugui produir l'amplificació abans que es produeixi cap filtratge.

Pas 5: provar cada component

Per comprovar la validesa d'aquest sistema, cada component es va provar primer per separat i després es va provar tot el sistema. Per a cada prova, es va configurar el senyal d'entrada dins d'un rang típic de senyals fisiològics (5 mV i 1 kHz), de manera que el sistema pogués ser el més precís possible. Es va completar un escombrat de corrent altern i una anàlisi transitòria per a l'INA, de manera que es va poder determinar el guany mitjançant dos mètodes (equacions (4) i (5)). Els dos filtres es van provar amb un escombrat de corrent altern per assegurar-se que les freqüències de tall es produeixen als valors desitjats.

Equació 4: Guany = 10 ^ (dB / 20) Equació 5: Guany = Voltatge de sortida / Voltatge d'entrada

La primera imatge que es mostra és l’escombrat de CA de l’INA, la segona i la tercera són l’anàlisi transitòria de l’INA per a les tensions d’entrada i sortida. El quart és l’escombrat de corrent altern del filtre de banda i el cinquè és l’escombrat de corrent altern del filtre de graella.

Pas 6: provar el sistema complet

Finalment, es va provar el sistema complet amb un escombrat de CA i una anàlisi transitòria; tanmateix, l'entrada d'aquest sistema era un senyal d'ECG real. La primera imatge superior mostra els resultats de l’escombrat de corrent altern, mentre que la segona mostra els resultats de l’anàlisi transitòria. Cada línia correspon a una mesura que es fa després de cada component: verd - INA, blau - filtre de pas de banda i filtre de vermell. La imatge final s’acosta a una ona d’ECG particular per facilitar l’anàlisi.

Pas 7: Pensaments finals

En general, aquest sistema va ser dissenyat per captar un senyal d’ECG, amplificar-lo i eliminar qualsevol soroll no desitjat perquè es pugui interpretar fàcilment. Per al sistema complet, es van dissenyar un amplificador d’instrumentació, un filtre de pas de banda i un filtre de graella donades especificacions de disseny particulars per assolir l’objectiu. Després de dissenyar aquests components a LTspice, es van dur a terme una combinació d’escombrat de corrent altern i anàlisis transitòries per provar la validesa de cada component i de tot el sistema. Aquestes proves van demostrar que el disseny general del sistema era vàlid i que cada component funcionava com s'esperava.

En el futur, aquest sistema es podrà convertir en un circuit físic per provar dades ECG en directe. Aquestes proves serien l'últim pas per determinar si el disseny és vàlid. Un cop completat, el sistema es pot adaptar per utilitzar-lo en diversos entorns sanitaris i utilitzar-lo per ajudar els clínics a diagnosticar i tractar malalties del cor.