Simulované získávání signálu EKG pomocí LTSpice: 7 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:18

Schopnost srdce pumpovat je funkcí elektrických signálů. Lékaři mohou tyto signály přečíst na EKG, aby diagnostikovali různé srdeční problémy. Než však může být signál klinickým lékařem řádně připraven, musí být řádně filtrován a zesílen. V této příručce vás provedu tím, jak navrhnout obvod k izolaci signálů EKG tím, že tento obvod byl rozdělen na tři jednoduché součásti: zesilovač instrumentace, pásmový filtr a zářezový filtr s požadovanou mezní hodnotou frekvence a zisky určené publikovanou literaturou a současnými modely.

Zásoby:

Toto je průvodce určený pro simulace LTSpice, takže jediným materiálem, který budete k modelování obvodů potřebovat, je aplikace LTSpice. Pokud si přejete otestovat svůj obvod pomocí souboru EKG wav, našel jsem zde svůj.

Krok 1: Navrhnout pásmový filtr

Typické signály EKG mají frekvenční rozsah 0,5-250 Hz. Pokud vás zajímá teorie za tím, přečtěte si o tom více zde nebo zde. Pro účely této příručky to znamená, že chceme odfiltrovat vše, co není v těchto oblastech. Můžeme to udělat s pásmovým filtrem. Na základě zaslaných proměnných ve zveřejněném schématu filtruje pásmový filtr filtry mezi rozsahy 1/(2*pi*R1*C1) a 1/(2*pi*R2*C2). Také zesilují signál o (R2/R1).

Hodnoty byly zvoleny tak, aby hodnoty mezních kmitočtů odpovídaly požadovaným hranicím signálu EKG a zisk by byl roven 100. Schéma s těmito substituovanými hodnotami je vidět na přiložených obrázcích.

Krok 2: Navrhování filtru Notch

Nyní, když jsme odfiltrovali vše, co není v frekvenčním rozsahu signálu EKG, je čas odfiltrovat zkreslení šumu v jeho dosahu. Šum elektrické sítě je jedním z nejběžnějších zkreslení EKG a má frekvenci ~ 50 Hz. Vzhledem k tomu, že se jedná o pásmový rozsah, lze jej vyjmout pomocí zářezového filtru. Zářezový filtr funguje tak, že na základě přiloženého schématu odstraní střední frekvenci s hodnotou 1/(4*pi*R*C).

Byla vybrána hodnota rezistoru a kondenzátoru k odfiltrování šumu 50 Hz a jejich hodnoty byly zapojeny do připojeného schématu. Všimněte si, že to není jediná kombinace RC komponent, která bude fungovat; právě to jsem si vybral. Neváhejte počítat a vybírat jiné!

Krok 3: Návrh zesilovače přístrojů

Rovněž bude nutné zesílit surový signál EKG. Ačkoli když stavíme obvod, dáme na první místo zesilovač, je koncepčně snazší přemýšlet po filtrech. Důvodem je, že celkový zisk obvodu je částečně určen zesílením pásmového průchodu (opakování viz krok 1).

Většina EKG má zisk alespoň 100 dB. Zisk dB v obvodu se rovná 20*log | Vout / Vin |. Vout/Vin lze vyřešit z hlediska odporových komponent pomocí uzlové analýzy. Pro náš okruh to vede k novému výrazu zisku:

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

R1 a R2 jsou z pásmového filtru (krok 1) a R a RG jsou komponenty z tohoto zesilovače (viz přiložené schéma). Řešení pro zisk dB 100 výtěžků R/RG = 500. Byly zvoleny hodnoty R = 50 k ohmů a RG = 100 ohmů.

Krok 4: Testování součástí

Všechny komponenty byly samostatně testovány pomocí nástroje pro analýzu oktávy AC Sweep společnosti LTSpice. Byly vybrány parametry 100 bodů na oktávu, počáteční frekvence 0,01 Hz a koncová frekvence 100 kHz. Použil jsem amplitudu vstupního napětí 1 V, ale můžete jinou amplitudu. Důležitým výstupem ze střídání AC je tvar výstupů odpovídajících změnám frekvencí.

Tyto testy by měly poskytnout grafy podobné těm připojeným v krocích 1-3. Pokud ne, zkuste přepočítat hodnoty odporu nebo kondenzátoru. Je také možné, že vaše obvodové kolejnice, protože neposkytujete dostatečné napětí pro napájení operačních zesilovačů. Pokud je vaše matematika R a C správná, zkuste zvýšit množství napětí, které dáváte svému operačnímu zesilovači.

Krok 5: Dát to všechno dohromady

Nyní jste připraveni dát všechny součásti dohromady. Zesílení se obvykle provádí před filtrací, takže přístrojový zesilovač byl na prvním místě. Pásmový filtr dále zesiluje signál, takže byl zařazen na druhé místo před zářezový filtr, který čistě filtruje. Celý obvod byl také spuštěn simulací AC Sweep, která poskytla očekávané výsledky se zesílením mezi 0,5 - 250 Hz, s výjimkou rozsahu 50 Hz.

Krok 6: Zadávání a testování signálů EKG

Můžete změnit zdroj napětí tak, aby obvod napájel signálem EKG místo střídání střídavého proudu. K tomu budete muset stáhnout požadovaný signál EKG. Zde jsem našel soubor.wav s vylepšeným šumem a zde signál EKG clean.txt. ale možná najdete lepší. Přiložený je surový vstup a výstup pro soubor.wav. Těžko říci, zda by signál EKG bez šumu zlepšoval nebo nevytvářel lépe vypadající výstup. V závislosti na signálu může být nutné mírně upravit hranice filtru. Lze také vidět výstup signálu čistého průchodu.

Chcete -li změnit vstup, vyberte zdroj napětí, zvolte nastavení pro soubor PWL a vyberte požadovaný soubor. Soubor, který jsem použil, byl soubor.wav, takže jsem také potřeboval změnit text směrnice LTSpice z „PWL File =“na „wavefile =“. Pro vstup souboru.txt byste měli ponechat text PWL tak, jak je.

Porovnání výstupu s ideálním signálem EKG ukazuje, že je stále ještě co vylepšovat vyladěním komponent. Vzhledem k tvaru a šumové povaze zdrojového souboru je skutečnost, že jsme dokázali extrahovat vlnu P, QRS a T, skvělý první krok. Čistý textový soubor EKG by měl filtrem dokonale projít.

Dávejte pozor, jak interpretujete tyto výsledky vstupního signálu EKG. Pokud používáte pouze čistý soubor.txt, neznamená to, že váš systém pracuje na správném filtrování signálu - pouze to znamená, že důležité součásti EKG nejsou odfiltrovány. Na druhou stranu, bez toho, abychom věděli více o souboru.wav, je těžké zjistit, zda jsou inverze vln a liché tvary způsobeny zdrojovým souborem, nebo je problém s odfiltrováním nežádoucích signálů.