Simulert EKG -signalinnsamling ved bruk av LTSpice: 7 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:20

Hjertets evne til å pumpe er en funksjon av elektriske signaler. Klinikere kan lese disse signalene på et EKG for å diagnostisere ulike hjerteproblemer. Før signalet kan være ordentlig klart av en kliniker, må det imidlertid filtreres og forsterkes ordentlig. I denne veiledningen vil jeg gå gjennom hvordan du designer en krets for å isolere EKG-signaler ved å bryte denne kretsen ble delt inn i tre enkle komponenter: en instrumenteringsforsterker, et båndpasfilter og et hakkfilter, med ønsket cut-off frekvenser og gevinster bestemt av publisert litteratur og nåværende modeller.

Rekvisita:

Dette er veiledning ment for LTSpice -simuleringer, så det eneste materialet du trenger for å modellere kretsene er en LTSpice -applikasjon. Hvis du ønsker å teste kretsen din med en EKG -wav -fil, fant jeg min her.

Trinn 1: Designe et bandpassfilter

Typiske EKG-signaler har frekvensområder på 0,5-250 Hz. Hvis du er nysgjerrig på teorien bak dette, kan du lese for å lese mer om dette her eller her. I denne veiledningen betyr dette at vi vil filtrere bort alt som ikke er i disse regionene. Vi kan gjøre dette med et bandpassfilter. Basert på de publiserte variablene i den opplagte skjematikken, filtrerer bandpass-filtre mellom områdene 1/(2*pi*R1*C1) og 1/(2*pi*R2*C2). De forsterker også signalet med (R2/R1).

Verdier ble valgt slik at frekvensavbruddsverdiene ville matche de ønskede EKG -signalgrensene og forsterkningen ville være lik 100. En skjematisk oversikt over disse verdiene kan sees på de vedlagte figurene.

Trinn 2: Utforming av hakkfilter

Nå som vi har filtrert ut alt som ikke er i EKGs signalfrekvensområde, er det på tide å filtrere ut støyforstyrrelser innenfor sitt område. Kraftlinjestøy er en av de vanligste EKG-forvrengningene og har en frekvens på ~ 50 Hz. Siden dette er innenfor band-pass-området, kan det tas ut med et hakkfilter. Et hakkfilter fungerer ved å fjerne en senterfrekvens med verdien 1/(4*pi*R*C) basert på den vedlagte skjematikken.

En motstand og kondensatorverdi ble valgt for å filtrere ut 50 Hz støy, og verdiene deres ble plugget inn i en vedlagt skjematisk. Vær oppmerksom på at dette ikke er den eneste kombinasjonen av RC -komponenter som fungerer. det var akkurat det jeg valgte. Beregn gjerne og velg forskjellige!

Trinn 3: Designe instrumentasjonsforsterkeren

Et rå EKG -signal må også forsterkes. Selv om vi setter forsterkeren først når vi bygger kretsen, er det lettere konseptuelt å tenke på etter filtrene. Dette er fordi kretsens samlede forsterkning delvis bestemmes av båndpassforsterkningen (se trinn 1 for en oppdatering).

De fleste EKG har en gevinst på minst 100 dB. En krets dB -forsterkning er lik 20*log | Vout / Vin |. En Vout/Vin kan løses for når det gjelder resistive komponenter ved nodalanalyse. For vår krets fører dette til et nytt gevinstuttrykk:

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

R1 og R2 er fra båndpassfilteret (trinn 1), og R og RG er komponenter fra denne forsterkeren (se vedlagt skjematisk). Løsning for en dB -forsterkning på 100 gir R/RG = 500. Verdier på R = 50k ohm og RG = 100 ohm ble valgt.

Trinn 4: Testing av komponentene

Alle komponentene ble separat testet med LTSpices AC Sweep -oktavanalyseverktøy. Parametere på 100 punkter per oktav, 0,01 Hz startfrekvens og 100 k Hz sluttfrekvens ble valgt. Jeg brukte en inngangsspenningsamplitude på 1V, men du kan en annen amplitude. Den viktige take awayen fra vekselstrømmen er formen på utgangene som tilsvarer endringer i frekvenser.

Disse testene skal gi grafer som ligner på de vedlagte i trinn 1-3. Hvis de ikke gjør det, kan du prøve å beregne motstands- eller kondensatorverdiene på nytt. Det er også mulig at kretsen din skinner fordi du ikke gir nok spenning til å drive forsterkerne. Hvis R- og C -matematikken din stemmer, kan du prøve å øke spenningen du gir til forsterkeren (e).

Trinn 5: Sett alt sammen

Nå er du klar til å sette sammen alle komponentene. Vanligvis utføres forsterkning før filtrering, så instrumenteringsforsterkeren ble satt først. Båndpassfilteret forsterker signalet ytterligere, så det ble satt på andreplass, før hakkfilteret, som rent filtrerer. Den totale kretsen ble også kjørt gjennom en AC Sweep -simulering, som ga forventede resultater med forsterkning mellom 0,5 - 250 Hz, bortsett fra 50 Hz -hakkområdet.

Trinn 6: Legge inn og teste EKG -signaler

Du kan endre spenningskilden for å gi kretsen et EKG -signal i stedet for en vekselstrøm. For å gjøre dette må du laste ned ønsket EKG -signal. Jeg fant en støyforbedret.wav-fil her og et clean.txt EKG-signal her. men du kan kanskje finne bedre. Rå input og output for.wav -fil kan sees vedlagt. Det er vanskelig å si om et ikke-støyforbedret EKG-signal vil gi en bedre utgang. Avhengig av signalet må du kanskje justere filtergrensene litt. Clean-pass-signalutgangen kan også sees.

For å endre inngangen, velg spenningskilden, velg innstillingen for PWL -fil og velg ønsket fil. Filen jeg brukte var en.wav -fil, så jeg måtte også endre LTSpice -direktivteksten fra "PWL File =" til "wavefile =". For.txt -filinndata, bør du beholde PWL -teksten som den er.

Å sammenligne utgangen med et ideelt EKG-signal viser at det fortsatt er noe rom for forbedring med komponentjustering. Gitt kildefilens form og støyforbedrede karakter, er imidlertid det faktum at vi klarte å trekke ut en P-bølge, QRS og T-bølge et godt første skritt. Den rene EKG -tekstfilen skal kunne passere perfekt gjennom filteret.

Vær oppmerksom på hvordan du tolker disse EKG -inngangssignalresultatene. Hvis du bare bruker den rene.txt -filen, betyr det ikke at systemet fungerer for å filtrere et signal ordentlig - det betyr bare at de viktige EKG -komponentene ikke blir filtrert bort. På den annen side, uten å vite mer om.wav -filen, er det vanskelig å finne ut om bølgeinversjoner og ulike former skyldes kildefilen eller om det er et problem med å filtrere ut uønskede signaler.