Simulirano prikupljanje EKG signala pomoću LTSpice: 7 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:04

Sposobnost srca da pumpa je funkcija električnih signala. Kliničari mogu pročitati te signale na EKG -u kako bi dijagnosticirali različite srčane probleme. Prije nego što kliničar može pravilno pripremiti signal, mora se pravilno filtrirati i pojačati. U ovom vodiču ću vas provesti kroz to kako dizajnirati krug za izolaciju EKG signala tako što se ovaj krug razbio na tri jednostavne komponente: instrumentacijsko pojačalo, propusni filter i filter sa zarezima sa željenim prekidom frekvencije i dobici određeni objavljenom literaturom i trenutnim modelima.

Potrošni materijal:

Ovo je vodič namijenjen simulacijama LTSpice, pa je jedini materijal koji će vam trebati za modeliranje krugova aplikacija LTSpice. Ako želite testirati svoj krug pomoću EKG wav datoteke, ovdje sam pronašao svoj.

Korak 1: Dizajniranje Band-pass filtera

Tipični EKG signali imaju raspon frekvencija od 0,5-250 Hz. Ako vas zanima teorija koja stoji iza ovoga, pročitajte kako biste pročitali više o tome ovdje ili ovdje. Za potrebe ovog vodiča, to znači da želimo filtrirati sve što nije u tim regijama. To možemo učiniti pomoću propusnog filtra. Na osnovu objavljenih varijabli u objavljenoj shemi, pojasni filteri filtriraju između opsega 1/(2*pi*R1*C1) i 1/(2*pi*R2*C2). Oni takođe pojačavaju signal za (R2/R1).

Vrijednosti su odabrane tako da se vrijednosti prekida frekvencije podudaraju sa željenim granicama signala EKG -a, a dobitak bi bio jednak 100. Shema sa ovim zamijenjenim vrijednostima može se vidjeti na priloženim slikama.

Korak 2: Dizajniranje Notch filtera

Sada kada smo filtrirali sve što nije u frekvencijskom opsegu EKG -a, vrijeme je da filtriramo izobličenja šuma unutar svog raspona. Šum na dalekovodu jedno je od najčešćih izobličenja EKG-a i ima frekvenciju ~ 50 Hz. Budući da je ovo unutar opsega propusnog opsega, može se izvaditi ureznim filterom. Urezani filter radi tako što uklanja središnju frekvenciju vrijednosti 1/(4*pi*R*C) na osnovu priložene sheme.

Vrijednost otpornika i kondenzatora odabrana je za filtriranje šuma od 50 Hz, a njihove vrijednosti su uključene u priloženu shemu. Imajte na umu da ovo nije jedina kombinacija RC komponenti koja će raditi; to je upravo ono što sam izabrao. Slobodno izračunajte i odaberite različite!

Korak 3: Dizajniranje instrumentalnog pojačala

Sirovi EKG signal će također morati biti pojačan. Iako ćemo pri izgradnji kola staviti pojačalo na prvo mjesto, konceptualno je lakše razmišljati o filterima. To je zato što je ukupni dobitak kola djelomično određen pojasom pojasa (vidi korak 1 za osvježavanje).

Većina EKG -ova ima pojačanje od najmanje 100 dB. DB pojačanje kola jednako je 20*log | Vout / Vin |. Vout/Vin se može riješiti u smislu otpornih komponenti analizom čvorova. Za naše kolo ovo dovodi do novog izraza pojačanja:

dB Gain = 20*log | (R2/R1)*(1+2*R/RG) |

R1 i R2 su iz pojasno-propusnog filtera (korak 1), a R i RG su komponente ovog pojačala (pogledajte priloženu shemu). Rješavanje za dB dobitak od 100 prinosa R/RG = 500. Odabrane su vrijednosti R = 50k ohma i RG = 100 ohma.

Korak 4: Testiranje komponenti

Sve komponente su zasebno testirane pomoću LTSpice -ovog alata za analizu oktave AC Sweep. Odabrani su parametri od 100 točaka po oktavi, 0,01 Hz početne frekvencije i 100k Hz završne frekvencije. Koristio sam amplitudu ulaznog napona od 1V, ali možete i drugu amplitudu. Važan zaključak izmjene izmjeničnog napona je oblik izlaza koji odgovara promjenama frekvencija.

Ovi testovi trebali bi dati grafikone slične onima u koracima 1-3. Ako ne odgovore, pokušajte ponovno izračunati vrijednosti vašeg otpornika ili kondenzatora. Moguće je i da vaše strujno kolo ne pruža dovoljno napona za napajanje op pojačala. Ako je vaša matematika R i C ispravna, pokušajte povećati količinu napona koji dajete na svoja op -apa (pojačala).

Korak 5: Sastavite sve zajedno

Sada ste spremni za sastavljanje svih komponenti. Obično se pojačanje izvodi prije filtriranja, pa je instrumentalno pojačalo stavljeno na prvo mjesto. Band-pass filter dodatno pojačava signal, pa je stavljen na drugo mjesto, prije urezanog filtera, koji čisto filtrira. Ukupno kolo je provedeno i simulacijom izmjene naizmjenične struje, koja je dala očekivane rezultate s pojačanjem između 0,5 - 250 Hz, osim u rasponu zareza od 50 Hz.

Korak 6: Unos i ispitivanje EKG signala

Možete promijeniti izvor napona kako biste krugu napajali EKG signalom umjesto AC Sweepom. Da biste to učinili, morat ćete preuzeti željeni EKG signal. Ovdje sam pronašao.wav datoteku s poboljšanim šumom, a ovdje EKG signal clean.txt. ali možda ćete moći pronaći bolje. Sirovi ulaz i izlaz za.wav datoteku možete vidjeti u prilogu. Teško je reći da li bi EKG signal bez buke dao bolji izlaz. Ovisno o signalu, možda ćete morati malo prilagoditi granice filtera. Takođe se može vidjeti izlaz čistog prolaza.

Da biste promijenili ulaz, odaberite izvor napona, odaberite postavku za PWL datoteku i odaberite željenu datoteku. Datoteka koju sam koristio je.wav datoteka, pa sam također morao promijeniti tekst direktive LTSpice iz "PWL File =" u "wavefile =". Za unos.txt datoteke, trebali biste zadržati PWL tekst onakav kakav jeste.

Poređenje izlaza s idealnim EKG signalom pokazuje da još uvijek postoji određeni prostor za poboljšanje s podešavanjem komponenti. Međutim, s obzirom na oblik izvorne datoteke i pojačanu buku, činjenica da smo uspjeli izdvojiti P-val, QRS i T-val je odličan prvi korak. Čista tekstualna datoteka EKG -a trebala bi savršeno proći kroz filter.

Obratite pažnju na to kako tumačite ove rezultate ulaznog signala EKG -a. Ako koristite samo čistu.txt datoteku, to ne znači da vaš sistem radi kako bi pravilno filtrirao signal - to samo znači da važne komponente EKG -a nisu filtrirane. S druge strane, bez znanja više o.wav datoteci, teško je utvrditi jesu li talasne inverzije i čudni oblici posljedica izvorne datoteke ili postoji problem u filtriranju neželjenih signala.