Simulirano prikupljanje EKG signala pomoću LTSpice: 7 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:32

Sposobnost srca da pumpa funkcija je električnih signala. Kliničari mogu pročitati te signale na EKG -u za dijagnosticiranje različitih srčanih problema. Prije nego što liječnik može ispravno 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 filtar i zarezni filter sa željenim prekidom učestalosti i dobici utvrđeni objavljenom literaturom i trenutnim modelima.

Pribor:

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

Korak 1: Dizajniranje pojasno-propusnog filtra

Tipični EKG signali imaju frekvencijske raspone 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 temelju objavljenih varijabli u objavljenoj shemi, pojasni filteri filtriraju između raspona 1/(2*pi*R1*C1) i 1/(2*pi*R2*C2). Oni također pojačavaju signal za (R2/R1).

Vrijednosti su odabrane tako da vrijednosti odsijecanja frekvencije odgovaraju željenim granicama EKG signala, a dobitak bi bio jednak 100. Shema s tim vrijednostima zamijenjenim u može se vidjeti na priloženim slikama.

Korak 2: Dizajniranje Notch filtra

Sada kada smo filtrirali sve što nije u frekvencijskom rasponu 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 to unutar opsega propusnog opsega, može se izvaditi usječenim filtrom. Urezani filter radi uklanjanjem središnje frekvencije s vrijednošću 1/(4*pi*R*C) na temelju 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; baš sam to odabrala. Slobodno izračunajte i odaberite različite!

Korak 3: Projektiranje instrumentalnog pojačala

Neophodno je također pojačati sirovi EKG signal. Iako ćemo pri izgradnji kruga pojačalo staviti na prvo mjesto, konceptualno je lakše razmišljati nakon filtera. To je zato što je ukupni dobitak kruga djelomično određen pojasom pojasa (vidi korak 1 za osvježavanje).

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

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

R1 i R2 su iz pojasno-propusnog filtra (korak 1), a R i RG su komponente ovog pojačala (vidi priloženu shemu). Rješenje 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 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 vaš krug šina ne pruža dovoljno napona za napajanje op pojačala. Ako je vaša matematika R i C ispravna, pokušajte povećati količinu napona koji dajete na svoja pojačala.

Korak 5: Sve spojite

Sada ste spremni spojiti sve komponente. 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 filtera sa usjecima, koji čisto filtrira. Ukupni krug također je prošao kroz simulaciju izmjene naizmjenične struje, koja je dala očekivane rezultate s pojačanjem između 0,5 - 250 Hz, osim u rasponu od 50 Hz.

Korak 6: Unos i ispitivanje EKG signala

Možete promijeniti izvor napona tako da krug opskrbi 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 privitku. Teško je reći bi li EKG signal bez buke proizveo bolji izgled. Ovisno o signalu, možda ćete morati malo prilagoditi granice filtra. Također 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 bila 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 jest.

Usporedba izlaza s idealnim EKG signalom pokazuje da još uvijek postoji određeni prostor za poboljšanje s podešavanjem komponenti. No, s obzirom na oblik izvorne datoteke i pojačanu buku, činjenica da smo uspjeli izdvojiti P-val, QRS i T-val odličan je 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 sustav 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 valne inverzije i čudni oblici posljedica izvorne datoteke ili postoji problem u filtriranju neželjenih signala.