Simulirano pridobivanje signala EKG z uporabo LTSpice: 7 korakov

2025 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2025-01-23 15:07

Sposobnost srca, da črpa, je odvisna od električnih signalov. Zdravniki lahko te signale preberejo na EKG -ju za diagnosticiranje različnih težav s srcem. Preden lahko zdravnik ustrezno pripravi signal, ga je treba ustrezno filtrirati in ojačati. V tem priročniku vas bom popeljal skozi to, kako oblikovati vezje za izolacijo signalov EKG-ja z razbijanjem tega vezja, ki je bilo razčlenjeno na tri preproste komponente: instrumentacijski ojačevalnik, pasovno prehodni filter in zarezni filter z želeno mejo frekvence in dobičke, določene z objavljeno literaturo in trenutnimi modeli.

Zaloge:

Ta priročnik je namenjen simulacijam LTSpice, zato je edini material, ki ga boste potrebovali za modeliranje vezij, aplikacija LTSpice. Če želite preskusiti vezje z datoteko EKG wav, sem tukaj našel svojega.

1. korak: Oblikovanje pasovno dostopnega filtra

Tipični signali EKG imajo frekvenčna območja 0,5-250 Hz. Če vas zanima teorija, ki stoji za tem, preberite, če želite prebrati več o tem tukaj ali tukaj. V tem priročniku to pomeni, da želimo filtrirati vse, kar ni v teh regijah. To lahko naredimo s pasovno prehodnim filtrom. Na podlagi objavljenih spremenljivk v objavljeni shemi filtri pasovnih pasov filtrirajo med območji 1/(2*pi*R1*C1) in 1/(2*pi*R2*C2). Prav tako ojačajo signal za (R2/R1).

Vrednosti so bile izbrane tako, da bi se vrednosti odrezane frekvence ujemale z želenimi mejami signala EKG -ja, dobiček pa bi bil enak 100. Shemo, v kateri so te vrednosti nadomeščene, lahko vidite na priloženih slikah.

2. korak: Oblikovanje filtra Notch

Zdaj, ko smo filtrirali vse, kar ni v frekvenčnem območju signala EKG -ja, je čas, da izločimo popačenja hrupa v svojem območju. Hrup daljnovoda je eno najpogostejših popačenj EKG-ja in ima frekvenco ~ 50 Hz. Ker je to v pasovnem pasu, ga lahko odstranite z zareznim filtrom. Zarezni filter deluje tako, da na podlagi priložene sheme odstrani osrednjo frekvenco z vrednostjo 1/(4*pi*R*C).

Vrednost upora in kondenzatorja je bila izbrana za filtriranje 50 Hz hrupa, njihove vrednosti pa so bile priključene na priloženo shemo. Upoštevajte, da to ni edina kombinacija komponent RC, ki bo delovala; ravno to sem izbral. Ne računajte in izberite različne!

3. korak: Oblikovanje instrumentacijskega ojačevalnika

Okrepiti bo treba tudi surov signal EKG. Čeprav bomo pri izgradnji vezja na prvo mesto postavili ojačevalnik, je lažje konceptualno razmišljati o filtrih. To je zato, ker je skupni dobiček vezja delno določen s pasovno ojačitvijo (za osvežitev glejte 1. korak).

Večina EKG -jev ima ojačanje najmanj 100 dB. DB dobiček vezja je enak 20*log | Vout / Vin |. Vout/Vin je mogoče rešiti v smislu uporovnih komponent z analizo vozlov. Za naše vezje to vodi do novega izraza dobička:

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

R1 in R2 sta iz pasovno prehodnega filtra (korak 1), R in RG pa sta komponente tega ojačevalnika (glej priloženo shemo). Reševanje za dobiček dB 100 prinaša R/RG = 500. Izbrane so bile vrednosti R = 50k ohmov in RG = 100 ohmov.

4. korak: Preizkusite komponente

Vse komponente so bile ločeno preizkušene z orodjem za analizo oktav LTSpice AC Sweep. Izbrani so bili parametri 100 točk na oktavo, 0,01 Hz začetne frekvence in 100k Hz končne frekvence. Uporabil sem amplitudo vhodne napetosti 1V, lahko pa drugačno amplitudo. Pomemben podatek pri izmenjavi izmeničnega toka je oblika izhodov, ki ustreza spremembam frekvenc.

Ti testi bi morali dati grafe, podobne tistim, ki so priloženi v 1. do 3. koraku. Če ne, poskusite znova izračunati vrednosti upora ali kondenzatorja. Možno je tudi, da vaše vezje vodi, ker ne zagotavljate dovolj napetosti za napajanje op ojačevalnikov. Če sta vaša matematika R in C pravilna, poskusite povečati količino napetosti, ki jo oddajate svojim ojačevalnikom.

5. korak: Združite vse skupaj

Zdaj ste pripravljeni združiti vse komponente. Običajno se ojačanje izvede pred filtracijo, zato je bil instrumentni ojačevalnik postavljen na prvo mesto. Pasovni filter dodatno ojača signal, zato je bil postavljen na drugo mesto, pred zarezni filter, ki izključno filtrira. Celotno vezje je bilo izvedeno tudi s simulacijo izmeničnega toka, ki je dala pričakovane rezultate z ojačitvijo med 0,5 - 250 Hz, razen v območju zarezov 50 Hz.

Korak 6: Vnos in testiranje EKG signalov

Vir napetosti lahko spremenite tako, da napaja vezje s signalom EKG namesto z izmeničnim tokom. Če želite to narediti, morate prenesti želeni signal EKG. Tukaj sem našel datoteko.wav, izboljšano s hrupom, tukaj pa EKG-signal clean.txt. mogoče pa boste našli boljše. Neobdelani vhod in izhod za datoteko.wav si lahko ogledate v priponki. Težko je reči, ali bi signal EKG brez hrupa povzročil lepši izhod. Odvisno od signala boste morda morali nekoliko prilagoditi meje filtra. Opazen je tudi izhod čistega signala.

Če želite spremeniti vhod, izberite vir napetosti, izberite nastavitev za datoteko PWL in izberite želeno datoteko. Datoteka, ki sem jo uporabil, je bila datoteka.wav, zato sem moral spremeniti tudi besedilo direktive LTSpice iz "PWL File =" v "wavefile =". Za vnos datoteke.txt naj bo besedilo PWL takšno, kot je.

Primerjava izhoda z idealnim signalom EKG-ja pokaže, da je s prilagoditvijo komponent še nekaj prostora za izboljšave. Glede na obliko izvorne datoteke in naravo hrupa pa je dejstvo, da nam je uspelo izvleči P-val, QRS in T-val, odličen prvi korak. Čista besedilna datoteka EKG mora biti sposobna odlično preiti skozi filter.

Bodite pozorni, kako razlagate rezultate vhodnega signala EKG. Če uporabljate samo čisto datoteko.txt, to ne pomeni, da vaš sistem pravilno filtrira signal - to pomeni le, da pomembne komponente EKG niso filtrirane. Po drugi strani pa je, ne da bi vedeli več o datoteki.wav, težko ugotoviti, ali so inverzije valov in čudne oblike posledica izvorne datoteke ali ne, ali je pri filtriranju neželenih signalov prišlo do težave.