Modelado de señales de ECG en LTspice: 7 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

Un ECG es un método muy común para medir las señales eléctricas que ocurren en el corazón. La idea general de este procedimiento es encontrar problemas cardíacos, como arritmias, enfermedad de las arterias coronarias o ataques cardíacos. Puede ser necesario si el paciente experimenta síntomas como dolor en el pecho, dificultad para respirar o latidos cardíacos desiguales llamados palpitaciones, pero también se puede utilizar para asegurarse de que los marcapasos y otros dispositivos implantables funcionen correctamente. Los datos de la Organización Mundial de la Salud muestran que las enfermedades relacionadas con el sistema cardiovascular son las principales causas de muerte a nivel mundial; estas enfermedades matan aproximadamente a 18 millones de personas cada año. Por lo tanto, los dispositivos que pueden monitorear o descubrir estas enfermedades son increíblemente importantes, razón por la cual se desarrolló el ECG. El ECG es una prueba médica completamente no invasiva que no presenta ningún riesgo para el paciente, excepto por algunas molestias menores cuando se retiran los electrodos.

El dispositivo completo descrito en este instructivo constará de varios componentes para manipular la señal de ECG ruidosa de modo que se puedan obtener resultados óptimos. Los registros de ECG ocurren a voltajes típicamente bajos, por lo que estas señales deben amplificarse antes de que se pueda realizar el análisis, en este caso con un amplificador de instrumentación. Además, el ruido es muy importante en las grabaciones de ECG, por lo que debe producirse un filtrado para limpiar estas señales. Esta interferencia puede provenir de una variedad de lugares, por lo que se deben tomar diferentes enfoques para eliminar ruidos específicos. Las señales fisiológicas solo ocurren en un rango típico, por lo que se usa un filtro de paso de banda para eliminar cualquier frecuencia fuera de este rango. Un ruido común en una señal de ECG se denomina interferencia de la línea eléctrica, que se produce a aproximadamente 60 Hz y se elimina con un filtro de muesca. Estos tres componentes funcionan simultáneamente para limpiar una señal de ECG y permiten una interpretación y un diagnóstico más fáciles y se modelarán en LTspice para probar su eficacia.

Paso 1: construcción del amplificador de instrumentación (INA)

El primer componente del dispositivo completo fue un amplificador de instrumentación (INA), que puede medir pequeñas señales que se encuentran en entornos ruidosos. En este caso, se hizo un INA con una ganancia alta (alrededor de 1000) para permitir resultados óptimos. Se muestra un esquema del INA con sus respectivos valores de resistencia. La ganancia de este INA se puede calcular teóricamente para confirmar que la configuración fue válida y que los valores de la resistencia fueron apropiados. La ecuación (1) muestra la ecuación utilizada para calcular que la ganancia teórica fue 1000, donde R1 = R3, R4 = R5 y R6 = R7.

Ecuación (1): Ganancia = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Paso 2: construcción del filtro de paso de banda

Una fuente principal de ruido incluye señales eléctricas que se propagan a través del cuerpo, por lo que el estándar de la industria es incluir un filtro de paso de banda con frecuencias de corte de 0.5 Hz y 150 Hz para eliminar las distorsiones del ECG. Este filtro utilizó un filtro de paso alto y un filtro de paso bajo en serie para eliminar señales fuera de este rango de frecuencia. Se muestra el esquema de este filtro con sus respectivos valores de resistencia y condensador. Los valores exactos de las resistencias y los condensadores se encontraron utilizando la fórmula que se muestra en la Ecuación (2). Esta fórmula se utilizó dos veces, una para la frecuencia de corte de paso alto de 0,5 Hz y otra para la frecuencia de corte de paso bajo de 150 Hz. En cada caso, el valor del condensador se estableció en 1 μF y se calculó el valor de la resistencia.

Ecuación 2: R = 1 / (2 * pi * Frecuencia de corte * C)

Paso 3: construcción del filtro de muesca

Otra fuente común de ruido asociada con el ECG es causada por líneas eléctricas y otros equipos electrónicos, pero se eliminó con un filtro de muesca. Esta técnica de filtrado utilizó un filtro de paso alto y un filtro de paso bajo en paralelo para eliminar el ruido específicamente a 60 Hz. Se muestra el esquema del filtro de muesca con sus respectivos valores de resistencia y condensador. Los valores exactos de la resistencia y el condensador se determinaron de manera que R1 = R2 = 2R3 y C1 = 2C2 = 2C3. Luego, para asegurar una frecuencia de corte de 60 Hz, R1 se estableció en 1 kΩ y se utilizó la Ecuación (3) para encontrar el valor de C1.

Ecuación 3: C = 1 / (4 * pi * Frecuencia de corte * R)

Paso 4: construcción del sistema completo

Finalmente, los tres componentes se probaron de forma combinada para garantizar que todo el dispositivo funcionara correctamente. Los valores de los componentes específicos no cambiaron cuando se implementó el sistema completo y los parámetros de simulación se incluyen en la Figura 4. Cada parte se conectó en serie entre sí en el siguiente orden: INA, filtro de paso de banda y filtro de muesca. Si bien los filtros podrían intercambiarse, el INA debería permanecer como el primer componente, de modo que la amplificación pueda ocurrir antes de que tenga lugar cualquier filtrado.

Paso 5: prueba de cada componente

Para probar la validez de este sistema, primero se probó cada componente por separado y luego se probó todo el sistema. Para cada prueba, la señal de entrada se estableció dentro de un rango típico de señales fisiológicas (5 mV y 1 kHz), de modo que el sistema pudiera ser lo más preciso posible. Se realizó un barrido de CA y un análisis de transitorios para el INA, de modo que la ganancia pudiera determinarse mediante dos métodos (ecuaciones (4) y (5)). Ambos filtros se probaron utilizando un barrido de CA para garantizar que las frecuencias de corte se produzcan en los valores deseados.

Ecuación 4: Ganancia = 10 ^ (dB / 20) Ecuación 5: Ganancia = Voltaje de salida / Voltaje de entrada

La primera imagen que se muestra es el barrido de CA del INA, la segunda y la tercera son el análisis transitorio del INA para los voltajes de entrada y salida. El cuarto es el barrido de CA del filtro de paso de banda y el quinto es el barrido de CA del filtro de muesca.

Paso 6: prueba del sistema completo

Finalmente, se probó el sistema completo con un barrido de CA y análisis transitorio; sin embargo, la entrada a este sistema fue una señal de ECG real. La primera imagen de arriba muestra los resultados del barrido de CA, mientras que la segunda muestra los resultados del análisis transitorio. Cada línea corresponde a una medición que se toma después de cada componente: verde - INA, azul - filtro de paso de banda y rojo - filtro de muesca. La imagen final se acerca a una onda de ECG en particular para facilitar el análisis.

Paso 7: Pensamientos finales

En general, este sistema fue diseñado para recibir una señal de ECG, amplificarla y eliminar cualquier ruido no deseado para que pueda interpretarse fácilmente. Para el sistema completo, se diseñaron un amplificador de instrumentación, un filtro de paso de banda y un filtro de muesca dadas las especificaciones de diseño particulares para lograr el objetivo. Después de diseñar estos componentes en LTspice, se realizó una combinación de análisis de barrido de CA y transitorios para probar la validez de cada componente y de todo el sistema. Estas pruebas mostraron que el diseño general del sistema era válido y que cada componente funcionaba como se esperaba.

En el futuro, este sistema se puede convertir en un circuito físico para probar mientras los datos de ECG están en vivo. Estas pruebas serían el paso final para determinar si el diseño es válido. Una vez completado, el sistema se puede adaptar para usarse en varios entornos de atención médica y para ayudar a los médicos a diagnosticar y tratar enfermedades cardíacas.