Simulované získavanie signálu EKG pomocou LTSpice: 7 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Schopnosť srdca pumpovať je funkciou elektrických signálov. Lekári môžu tieto signály prečítať na EKG a diagnostikovať rôzne srdcové problémy. Kým však môže byť signál klinickým lekárom správne pripravený, musí byť správne filtrovaný a zosilnený. V tejto príručke vás prevediem tým, ako navrhnúť obvod na izoláciu signálov EKG prerušením tohto obvodu bol rozdelený do troch jednoduchých komponentov: prístrojový zosilňovač, pásmový filter a filter so zárezom s požadovaným prerušením frekvencie a zisky určené publikovanou literatúrou a súčasnými modelmi.

Zásoby:

Toto je príručka určená pre simulácie LTSpice, takže jediný materiál, ktorý budete potrebovať na modelovanie obvodov, je aplikácia LTSpice. Ak chcete otestovať svoj obvod pomocou súboru EKG wav, našiel som tu svoj.

Krok 1: Navrhnutie pásmového filtra

Typické signály EKG majú frekvenčné rozsahy 0,5-250 Hz. Ak vás zaujíma teória, ktorá je za tým, prečítajte si a prečítajte si o tom viac tu alebo tu. Na účely tejto príručky to znamená, že chceme odfiltrovať všetko, čo nie je v týchto oblastiach. Môžeme to urobiť pomocou pásmového filtra. Na základe odoslaných premenných v zaslanej schéme filtrujú pásmové filtre filtre medzi rozsahmi 1/(2*pi*R1*C1) a 1/(2*pi*R2*C2). Tiež zosilňujú signál o (R2/R1).

Hodnoty boli zvolené tak, aby hodnoty medzných frekvencií zodpovedali požadovaným hraniciam signálu EKG a zisk bol rovný 100. Schéma s týmito hodnotami nahradenými v je vidieť na priložených obrázkoch.

Krok 2: Navrhnutie filtra Notch

Teraz, keď sme odfiltrovali všetko, čo nie je v frekvenčnom rozsahu signálu EKG, je načase odfiltrovať skreslenia šumu v jeho rozsahu. Hluk elektrického vedenia je jedným z najbežnejších skreslení EKG a má frekvenciu ~ 50 Hz. Pretože je to v pásmovom pásme, je možné to odstrániť pomocou zárezového filtra. Zárezový filter funguje tak, že na základe priloženej schémy odstráni stredovú frekvenciu s hodnotou 1/(4*pi*R*C).

Hodnota rezistora a kondenzátora bola zvolená na odfiltrovanie šumu 50 Hz a ich hodnoty boli zapojené do priloženej schémy. Všimnite si toho, že to nie je jediná kombinácia RC komponentov, ktorá bude fungovať; to bolo práve to, čo som si vybral. Neváhajte počítať a vyberať si iné!

Krok 3: Návrh zosilňovača prístrojov

Bude tiež potrebné zosilniť surový signál EKG. Aj keď keď postavíme obvod, dáme na prvom mieste zosilňovač, koncepčne je jednoduchšie premýšľať po filtroch. Dôvodom je, že celkový zisk obvodu je čiastočne určený zosilnením pásmového prechodu (opakovanie nájdete v kroku 1).

Väčšina EKG má zisk najmenej 100 dB. Zisk dB v obvode sa rovná 20*log | Vout / Vin |. Vout/Vin je možné vyriešiť z hľadiska odporových komponentov uzlovou analýzou. V našom obvode to vedie k novému výrazu zisku:

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

R1 a R2 pochádzajú z pásmového filtra (krok 1) a R a RG sú komponenty z tohto zosilňovača (pozri priloženú schému). Riešením pre zisk 100 dB R/RG = 500. Boli zvolené hodnoty R = 50 k ohmov a RG = 100 ohmov.

Krok 4: Testovanie komponentov

Všetky komponenty boli testované oddelene pomocou nástroja na analýzu oktávy AC Sweep spoločnosti LTSpice. Boli vybrané parametre 100 bodov na oktávu, počiatočná frekvencia 0,01 Hz a koncová frekvencia 100 kHz. Použil som amplitúdu vstupného napätia 1V, ale môžete inú amplitúdu. Dôležitým výstupom z cyklu AC je tvar výstupov zodpovedajúci zmenám frekvencií.

Tieto testy by mali priniesť grafy podobné priloženým v krokoch 1-3. Ak to neurobia, skúste prepočítať hodnoty odporu alebo kondenzátora. Je tiež možné, že vaše obvody koľajníc, pretože neposkytujete dostatočné napätie na napájanie operačných zosilňovačov. Ak je vaša matematika R a C správna, skúste zvýšiť napätie, ktoré privádzate do svojho operačného zosilňovača (ov).

Krok 5: Dajte to všetko dohromady

Teraz ste pripravení dať dohromady všetky komponenty. Amplifikácia sa zvyčajne vykonáva pred filtráciou, takže prístrojový zosilňovač bol umiestnený ako prvý. Pásmový filter ďalej zosilňuje signál, takže bol zaradený na druhé miesto pred zárezový filter, ktorý čisto filtruje. Celkový obvod bol tiež spustený simuláciou AC Sweep, ktorá poskytla očakávané výsledky so zosilnením medzi 0,5 - 250 Hz, s výnimkou rozsahu 50 Hz.

Krok 6: Zadávanie a testovanie signálov EKG

Môžete zmeniť zdroj napätia tak, aby napájal obvod signálom EKG namiesto striedavého striedania. Na to budete musieť stiahnuť požadovaný signál EKG. Tu som našiel súbor.wav so zvýšeným šumom a tu signál EKG clean.txt. ale možno nájdete lepšie. Priložený je hrubý vstup a výstup pre súbor.wav. Je ťažké povedať, či signál EKG bez šumu alebo nie by produkoval lepšie vyzerajúci výstup. V závislosti od signálu bude možno potrebné mierne upraviť hranice filtra. Tiež je možné vidieť výstup signálu čistého prechodu.

Ak chcete zmeniť vstup, vyberte zdroj napätia, zvoľte nastavenie pre súbor PWL a vyberte požadovaný súbor. Použil som súbor.wav, takže som tiež potreboval zmeniť text smernice LTSpice z „PWL File =“na „wavefile =“. Pre vstup súboru.txt by ste mali ponechať text PWL tak, ako je.

Porovnanie výstupu s ideálnym signálom EKG ukazuje, že pri vyladení súčiastok je stále čo zlepšovať. Vzhľadom na tvar a šumovú povahu zdrojového súboru je však skutočnosť, že sme dokázali extrahovať vlnu P, QRS a vlnu T, prvým krokom. Čistý textový súbor EKG by mal dokonale prechádzať filtrom.

Dávajte pozor, ako interpretujete tieto výsledky vstupného signálu EKG. Ak používate iba čistý súbor.txt, neznamená to, že váš systém pracuje na správnom filtrovaní signálu - znamená to len, že dôležité súčasti EKG nie sú odfiltrované. Na druhej strane, bez toho, aby ste vedeli viac o súbore.wav, je ťažké určiť, či inverzie vĺn a nepárne tvary sú alebo nie sú spôsobené zdrojovým súborom alebo či existuje problém s filtrovaním nechcených signálov.