Symulowana akwizycja sygnału EKG za pomocą LTSpice: 7 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:26

Zdolność serca do pompowania jest funkcją sygnałów elektrycznych. Lekarze mogą odczytać te sygnały na EKG, aby zdiagnozować różne problemy z sercem. Zanim jednak sygnał będzie mógł być odpowiednio przygotowany przez lekarza, musi zostać odpowiednio przefiltrowany i wzmocniony. W tym przewodniku przeprowadzę Cię przez proces projektowania obwodu izolującego sygnały EKG przez przerwanie tego obwodu, który został podzielony na trzy proste elementy: wzmacniacz oprzyrządowania, filtr pasmowoprzepustowy i filtr wycinający z pożądanym odcięciem częstotliwości i wzmocnienia określone na podstawie opublikowanej literatury i aktualnych modeli.

Kieszonkowe dzieci:

Jest to przewodnik przeznaczony do symulacji LTSpice, więc jedynym materiałem, którego będziesz potrzebować do modelowania obwodów, jest aplikacja LTSpice. Jeśli chcesz przetestować swój obwód za pomocą pliku wav EKG, znalazłem swój tutaj.

Krok 1: Projektowanie filtra pasmowoprzepustowego

Typowe sygnały EKG mają zakresy częstotliwości 0,5-250 Hz. Jeśli jesteś ciekawy teorii, która za tym stoi, przeczytaj więcej na ten temat tutaj lub tutaj. Na potrzeby tego przewodnika oznacza to, że chcemy odfiltrować wszystko, co nie znajduje się w tych regionach. Możemy to zrobić za pomocą filtra pasmowego. Na podstawie przedstawionych zmiennych na zamieszczonym schemacie filtry pasmowoprzepustowe filtrują między zakresami 1/(2*pi*R1*C1) i 1/(2*pi*R2*C2). Wzmacniają również sygnał przez (R2/R1).

Wartości zostały wybrane tak, aby wartości odcięcia częstotliwości odpowiadały żądanym ograniczeniom sygnału EKG, a wzmocnienie było równe 100. Schemat z tymi wartościami podstawionymi można zobaczyć na załączonych rysunkach.

Krok 2: Projektowanie filtra wycinającego

Teraz, gdy odfiltrowaliśmy wszystko, co nie znajduje się w zakresie częstotliwości sygnału EKG, nadszedł czas, aby odfiltrować zakłócenia szumu w tym zakresie. Szum linii energetycznej jest jednym z najczęstszych zniekształceń EKG i ma częstotliwość ~50 Hz. Ponieważ mieści się to w zakresie pasmowoprzepustowym, można go usunąć za pomocą filtra wycinającego. Filtr wycinający działa poprzez usunięcie częstotliwości środkowej o wartości 1/(4*pi*R*C) na podstawie załączonego schematu.

Wartości rezystora i kondensatora zostały wybrane do odfiltrowania szumu 50 Hz, a ich wartości zostały wpięte do załączonego schematu. Zauważ, że nie jest to jedyna kombinacja komponentów RC, która będzie działać; to właśnie wybrałem. Zapraszam do kalkulacji i wyboru różnych!

Krok 3: Projektowanie wzmacniacza oprzyrządowania

Surowy sygnał EKG również będzie musiał zostać wzmocniony. Choć budując układ, na pierwszym miejscu postawimy wzmacniacz, to koncepcyjnie łatwiej jest myśleć po filtrach. Dzieje się tak, ponieważ ogólne wzmocnienie obwodu jest częściowo określane przez wzmocnienie pasmowoprzepustowe (patrz krok 1 dla odświeżenia).

Większość EKG ma wzmocnienie co najmniej 100 dB. Wzmocnienie w dB obwodu jest równe 20*log|Vout/Vin|. Vout/Vin można rozwiązać pod względem składowych rezystancyjnych za pomocą analizy węzłowej. Dla naszego obwodu prowadzi to do nowej ekspresji wzmocnienia:

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

R1 i R2 pochodzą z filtra pasmowoprzepustowego (krok 1), a R i RG są komponentami tego wzmacniacza (patrz załączony schemat). Rozwiązanie dla wzmocnienia dB równego 100 daje R/RG = 500. Wybrano wartości R = 50k omów i RG = 100 omów.

Krok 4: Testowanie komponentów

Wszystkie komponenty zostały oddzielnie przetestowane za pomocą narzędzia do analizy oktaw AC Sweep firmy LTSpice. Wybrano parametry 100 punktów na oktawę, częstotliwość początkową 0,01 Hz i częstotliwość końcową 100k Hz. Użyłem amplitudy napięcia wejściowego 1V, ale można inną amplitudę. Ważnym wnioskiem z przemiatania AC jest kształt wyjść odpowiadający zmianom częstotliwości.

Testy te powinny dać wykresy podobne do załączonych w krokach 1-3. Jeśli nie, spróbuj ponownie obliczyć wartości rezystora lub kondensatora. Możliwe jest również, że twój obwód się szykuje, ponieważ nie dostarczasz wystarczającego napięcia do zasilania wzmacniaczy operacyjnych. Jeśli twoja matematyka R i C jest poprawna, spróbuj zwiększyć napięcie, które podajesz do wzmacniacza operacyjnego.

Krok 5: Składanie wszystkiego razem

Teraz jesteś gotowy do złożenia wszystkich komponentów. Zazwyczaj wzmocnienie odbywa się przed filtracją, więc na pierwszym miejscu postawiono wzmacniacz oprzyrządowania. Filtr pasmowoprzepustowy dodatkowo wzmacnia sygnał, więc został umieszczony jako drugi, przed filtrem wycinającym, który czysto filtruje. Cały obwód został również poddany symulacji AC Sweep, która dała oczekiwane wyniki ze wzmocnieniem między 0,5 - 250 Hz, z wyjątkiem zakresu wycięcia 50 Hz.

Krok 6: Wprowadzanie i testowanie sygnałów EKG

Możesz zmienić źródło napięcia, aby zasilało obwód sygnałem EKG zamiast AC Sweep. Aby to zrobić, musisz pobrać żądany sygnał EKG. Znalazłem tutaj plik.wav ze wzmocnionym szumem, a tutaj sygnał EKG clean.txt. ale możesz znaleźć lepsze. Nieprzetworzone dane wejściowe i wyjściowe dla pliku.wav można zobaczyć w załączniku. Trudno powiedzieć, czy sygnał EKG bez wzmocnienia szumów dawałby lepiej wyglądający sygnał wyjściowy. W zależności od sygnału może być konieczne nieznaczne dostosowanie granic filtra. Widoczny jest również sygnał wyjściowy sygnału czystego.

Aby zmienić wejście, wybierz źródło napięcia, wybierz ustawienie dla pliku PWL i wybierz żądany plik. Plik, którego użyłem, był plikiem.wav, więc musiałem również zmienić tekst dyrektywy LTSpice z „PWL File =” na „wavefile =”. W przypadku danych wejściowych pliku.txt należy zachować tekst PWL bez zmian.

Porównanie sygnału wyjściowego z idealnym sygnałem EKG pokazuje, że wciąż jest miejsce na poprawę w zakresie dostrajania komponentów. Jednak biorąc pod uwagę kształt i charakter pliku źródłowego wzmocniony szumami, fakt, że byliśmy w stanie wyodrębnić falę P, QRS i falę T, jest świetnym pierwszym krokiem. Czysty plik tekstowy EKG powinien doskonale przechodzić przez filtr.

Zwróć uwagę na to, jak interpretujesz wyniki sygnału wejściowego EKG. Jeśli używasz tylko czystego pliku.txt, nie oznacza to, że twój system działa prawidłowo filtrując sygnał – oznacza to tylko, że ważne komponenty EKG nie są odfiltrowywane. Z drugiej strony, nie wiedząc więcej o pliku.wav, trudno jest określić, czy inwersje fal i dziwne kształty są spowodowane plikiem źródłowym, czy też występuje problem z odfiltrowaniem niechcianych sygnałów.