Achiziție de semnal ECG simulat utilizând LTSpice: 7 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:41

Capacitatea inimii de a pompa este o funcție a semnalelor electrice. Clinicienii pot citi aceste semnale pe un ECG pentru a diagnostica diverse probleme cardiace. Înainte ca semnalul să poată fi pregătit corespunzător de către un clinician, totuși, acesta trebuie filtrat și amplificat în mod corespunzător. În acest ghid, vă voi prezenta cum să proiectați un circuit pentru a izola semnalele ECG prin ruperea acestui circuit. frecvențe și câștiguri determinate de literatura publicată și de modelele actuale.

Provizii:

Acesta este un ghid destinat simulărilor LTSpice, deci singurul material de care veți avea nevoie pentru a modela circuitele este o aplicație LTSpice. Dacă doriți să vă testați circuitul cu un fișier wav ECG, l-am găsit pe al meu aici.

Pasul 1: Proiectarea unui filtru band-pass

Semnalele tipice ECG au intervale de frecvență de 0,5-250 Hz. Dacă sunteți curios cu privire la teoria din spatele acestui lucru, simțiți-vă citit pentru a citi mai multe despre acest lucru aici sau aici. În sensul acestui ghid, ceea ce înseamnă acest lucru este că vrem să filtrăm tot ceea ce nu se află în acele regiuni. Putem face acest lucru cu un filtru band-pass. Pe baza variabilelor înregistrate în schema postată, filtrele de trecere în bandă filtrează între intervale de 1 / (2 * pi * R1 * C1) și 1 / (2 * pi * R2 * C2). De asemenea, amplifică semnalul cu (R2 / R1).

Valorile au fost alese astfel încât valorile tăiate de frecvență să se potrivească cu limitele de semnal ECG dorite și câștigul să fie egal cu 100. O schemă cu aceste valori substituite poate fi văzută în figurile atașate.

Pasul 2: Proiectarea filtrului Notch

Acum că am filtrat tot ce nu se află în intervalul de frecvență al semnalului ECG, este timpul să filtrăm distorsiunile de zgomot în intervalul său. Zgomotul pe linia de alimentare este una dintre cele mai frecvente distorsiuni ECG și are o frecvență de ~ 50 Hz. Deoarece acesta se află în intervalul de trecere a benzii, poate fi eliminat cu un filtru de notch. Un filtru de notch funcționează prin eliminarea unei frecvențe centrale cu o valoare de 1 / (4 * pi * R * C) pe baza schemei atașate.

A fost aleasă o rezistență și o valoare a condensatorului pentru a filtra zgomotul de 50 Hz, iar valorile lor au fost conectate la o schemă atașată. Rețineți că aceasta nu este singura combinație de componente RC care va funcționa; a fost exact ceea ce am ales. Simțiți-vă liber să calculați și să alegeți altele diferite!

Pasul 3: Proiectarea amplificatorului de instrumentație

De asemenea, va trebui amplificat un semnal ECG brut. Deși atunci când construim circuitul, vom pune amplificatorul pe primul loc, este mai ușor să ne gândim conceptual după filtre. Acest lucru se datorează faptului că câștigul total al circuitului este parțial determinat de amplificarea band-pass (a se vedea pasul 1 pentru o actualizare).

Majoritatea ECG-urilor au un câștig de cel puțin 100 dB. Câștigul dB al unui circuit este egal cu 20 * log | Vout / Vin |. Un Vout / Vin poate fi rezolvat în ceea ce privește componentele rezistive prin analiză nodală. Pentru circuitul nostru, acest lucru duce la o nouă expresie de câștig:

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

R1 și R2 provin din filtrul band-pass (Pasul 1), iar R și RG sunt componente ale acestui amplificator (vezi schema atașată). Rezolvarea pentru un câștig dB de 100 produce R / RG = 500. Au fost selectate valori R = 50k ohmi și RG = 100 ohmi.

Pasul 4: Testarea componentelor

Toate componentele au fost testate separat cu instrumentul de analiză a octavei AC Sweep de la LTSpice. Au fost selectați parametri de 100 de puncte pe octavă, frecvența de pornire de 0,01 Hz și frecvența de încheiere de 100 k Hz. Am folosit o amplitudine de tensiune de intrare de 1V, dar puteți avea o amplitudine diferită. Cea mai importantă îndepărtare de curentul alternativ este forma ieșirilor corespunzătoare modificărilor de frecvență.

Aceste teste ar trebui să producă grafice similare celor atașate în pașii 1-3. Dacă nu, încercați să recalculați valorile rezistorului sau ale condensatorului. De asemenea, este posibil ca circuitele dvs. să fie șine, deoarece nu furnizați suficientă tensiune pentru a alimenta amplificatorii de operare. Dacă matematica dvs. R și C este corectă, încercați să măriți cantitatea de tensiune pe care o dați amplificatorului (operatoarelor) dvs.

Pasul 5: Puneți totul împreună

Acum, sunteți gata să puneți toate componentele împreună. De obicei, amplificarea se realizează înainte de filtrare, astfel încât amplificatorul de instrumentare a fost pus pe primul loc. Filtrul band-pass amplifică și mai mult semnalul, așa că a fost plasat pe locul al doilea, înaintea filtrului cu crestături, care filtrează pur. Circuitul total a fost rulat și printr-o simulare AC Sweep, care a produs rezultate așteptate cu amplificare între 0,5 - 250 Hz, cu excepția gamei de notch de 50 Hz.

Pasul 6: Introducerea și testarea semnalelor ECG

Puteți schimba sursa de tensiune pentru a furniza circuitului un semnal ECG în loc de un AC Sweep. Pentru a face acest lucru, va trebui să descărcați semnalul ECG dorit. Am găsit aici un fișier.wav îmbunătățit de zgomot și un semnal ECG clean.txt aici. dar este posibil să puteți găsi altele mai bune. Intrarea și ieșirea brute pentru fișierul.wav pot fi văzute atașate. Este greu de spus dacă un semnal ECG îmbunătățit fără zgomot ar produce sau nu o ieșire mai bună. În funcție de semnal, poate fi necesar să vă ajustați ușor limitele filtrului. Ieșirea semnalului de trecere curată poate fi, de asemenea, văzută.

Pentru a schimba intrarea, selectați sursa de tensiune, alegeți setarea pentru fișierul PWL și selectați fișierul dorit. Fișierul pe care l-am folosit a fost un fișier.wav, așa că a trebuit să schimb textul directivei LTSpice din „PWL File =” în „wavefile =”. Pentru introducerea fișierului.txt, ar trebui să păstrați textul PWL așa cum este.

Compararea ieșirii cu un semnal ECG ideal arată că există încă ceva spațiu de îmbunătățire cu ajustarea componentelor. Cu toate acestea, având în vedere forma și zgomotul îmbunătățite ale fișierului sursă, faptul că am reușit să extragem o undă P, un QRS și o undă T este un prim pas minunat. Fișierul text ECG curat ar trebui să poată trece perfect prin filtru.

Rețineți cu atenție modul în care interpretați aceste rezultate ale semnalului de intrare ECG. Dacă utilizați numai fișierul.txt curat, asta nu înseamnă că sistemul dvs. funcționează pentru a filtra corect un semnal - înseamnă doar că componentele importante ale ECG nu sunt filtrate. Pe de altă parte, fără să știți mai multe despre fișierul.wav, este greu de stabilit dacă inversiunile de undă și formele ciudate se datorează sau nu fișierului sursă sau dacă există o problemă în filtrarea semnalelor nedorite.