Симулирано получаване на ЕКГ сигнал чрез LTSpice: 7 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:49

Способността на сърцето да изпомпва е функция на електрическите сигнали. Клиницистите могат да прочетат тези сигнали на ЕКГ, за да диагностицират различни сърдечни проблеми. Преди сигналът да бъде правилно подготвен от клиницист, той трябва да бъде правилно филтриран и усилен. В това ръководство ще ви разкажа как да проектирате верига за изолиране на ЕКГ сигнали, като прекъснете тази верига, разделена на три прости компонента: инструментален усилвател, лентово-честотен филтър и филтър с прорез, с желано прекъсване честоти и печалби, определени от публикуваната литература и актуални модели.

Консумативи:

Това ръководство е предназначено за симулации на LTSpice, така че единственият материал, който ще ви е необходим за моделиране на схемите, е приложение LTSpice. Ако искате да тествате веригата си с ЕКГ wav файл, намерих моя тук.

Стъпка 1: Проектиране на лентов филтър

Типичните ЕКГ сигнали имат честотни диапазони 0,5-250 Hz. Ако се интересувате от теорията зад това, прочетете, за да прочетете повече за това тук или тук. За целите на това ръководство това означава, че искаме да филтрираме всичко, което не е в тези региони. Можем да направим това с лентов филтър. Въз основа на публикуваните променливи в публикуваната схема, лентовите филтри филтрират между диапазони 1/(2*pi*R1*C1) и 1/(2*pi*R2*C2). Те също така усилват сигнала чрез (R2/R1).

Стойностите бяха избрани така, че стойностите на прекъсване на честотата да съвпадат с желаните граници на ЕКГ сигнала и печалбата да бъде равна на 100. Схема с тези стойности, заместени в, може да се види на приложените фигури.

Стъпка 2: Проектиране на Notch Filter

Сега, когато сме филтрирали всичко, което не е в честотния диапазон на сигнала на ЕКГ, е време да филтрираме шумовите изкривявания в неговия диапазон. Шумът от електропровода е едно от най-често срещаните изкривявания на ЕКГ и има честота ~ 50 Hz. Тъй като това е в обхвата на честотната лента, може да се извади с филтър с прорез. Филтърът с прорез работи, като премахва централна честота със стойност 1/(4*pi*R*C) въз основа на приложената схема.

Стойността на резистора и кондензатора бяха избрани за филтриране на 50 Hz шум и техните стойности бяха включени в приложена схема. Имайте предвид, че това не е единствената комбинация от RC компоненти, която ще работи; точно това избрах. Чувствайте се свободни да изчислявате и избирате различни!

Стъпка 3: Проектиране на инструменталния усилвател

Суровият ЕКГ сигнал също ще трябва да бъде усилен. Въпреки че, когато изграждаме веригата, ще поставим усилвателя на първо място, по -лесно е концептуално да се мисли след филтрите. Това е така, защото общото усилване на веригата се определя частично от усилването на честотната лента (Вижте Стъпка 1 за опресняване).

Повечето ЕКГ имат усилване от най -малко 100 dB. DB усилване на верига е равно на 20*log | Vout / Vin |. Vout/Vin може да бъде решен от гледна точка на резистивни компоненти чрез възлов анализ. За нашата схема това води до нов израз на усилване:

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

R1 и R2 са от лентовия филтър (Стъпка 1), а R и RG са компоненти от този усилвател (вижте приложената схема). Решаване за dB печалба от 100 добива R/RG = 500. Бяха избрани стойности на R = 50k ома и RG = 100 ома.

Стъпка 4: Тестване на компонентите

Всички компоненти бяха тествани поотделно с инструмента за анализ на октава AC Sweep на LTSpice. Избрани са параметри от 100 точки на октава, начална честота 0,01 Hz и крайна честота 100 k Hz. Използвах амплитуда на входно напрежение от 1V, но можете с различна амплитуда. Важното, което трябва да се вземе от сканирането на променлив ток, е формата на изходите, съответстващи на промените в честотите.

Тези тестове трябва да дадат графики, подобни на приложените в стъпки 1-3. Ако не го направят, опитайте да преизчислите стойностите на резистора или кондензатора. Възможно е също така вашата верига да се движи, защото не предоставяте достатъчно напрежение за захранване на операционните усилватели. Ако вашата R и C математика е правилна, опитайте да увеличите количеството напрежение, което подавате към вашия операционен усилвател (и).

Стъпка 5: Съберете всичко заедно

Сега сте готови да съберете всички компоненти заедно. Обикновено усилването се извършва преди филтриране, така че инструменталният усилвател е поставен на първо място. Лентовият филтър допълнително усилва сигнала, така че той беше поставен на второ място, преди филтъра с прорези, който чисто филтрира. Цялостната верига също беше проведена чрез симулация на AC Sweep, която даде очаквани резултати с усилване между 0.5 - 250 Hz, с изключение на диапазона от 50 Hz.

Стъпка 6: Въвеждане и тестване на ЕКГ сигнали

Можете да промените източника на напрежение, за да захранвате веригата с ЕКГ сигнал вместо AC Sweep. За да направите това, ще трябва да изтеглите желания от вас ЕКГ сигнал. Тук открих.wav файл с повишен шум и тук ЕКГ сигнал clean.txt. но може да успеете да намерите по -добри. Суровият вход и изход за.wav файл може да се види прикачен. Трудно е да се каже дали усиленият ЕКГ сигнал без шумове би произвел по-добре изглеждащ изход. В зависимост от сигнала може да се наложи леко да коригирате границите на филтъра. Може да се види и изходният сигнал за чисто преминаване.

За да промените входа, изберете източника на напрежение, изберете настройката за PWL файл и изберете желания от вас файл. Файлът, който използвах, беше.wav файл, затова също трябваше да променя текста на директивата LTSpice от „PWL File =“на „wavefile =“. За въвеждане на.txt файл трябва да запазите PWL текста такъв, какъвто е.

Сравняването на изхода с идеален ЕКГ сигнал показва, че все още има място за подобрение с настройката на компонентите. Въпреки това, като се има предвид формата и подобреният от шума характер на изходния файл, фактът, че успяхме да извлечем P-вълна, QRS и T-вълна е чудесна първа стъпка. Чистият ЕКГ текстов файл трябва да може да премине перфектно през филтъра.

Обърнете внимание, внимавайте как интерпретирате тези резултати от входния ЕКГ сигнал. Ако използвате само чистия.txt файл, това не означава, че вашата система работи правилно за филтриране на сигнал - това означава само, че важните компоненти на ЕКГ не са филтрирани. От друга страна, без да знаете повече за.wav файла, е трудно да се определи дали инверсиите на вълните и странните форми се дължат на изходния файл или не, или има проблем с филтрирането на нежелани сигнали.