Simulēta EKG signāla iegūšana, izmantojot LTSpice: 7 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:51

Sirds sūknēšanas spēja ir elektrisko signālu funkcija. Ārsti var nolasīt šos signālus EKG, lai diagnosticētu dažādas sirds problēmas. Tomēr, lai klīnicists varētu pienācīgi sagatavot signālu, tam jābūt pienācīgi filtrētam un pastiprinātam. Šajā rokasgrāmatā es jums pastāstīšu, kā izveidot ķēdi, lai izolētu EKG signālus, pārtraucot šo ķēdi, tika sadalīta trīs vienkāršās sastāvdaļās: instrumentu pastiprinātājs, joslas caurlaidības filtrs un iecirtuma filtrs ar vēlamo izslēgšanu biežumu un ieguvumus, ko nosaka publicētā literatūra un pašreizējie modeļi.

Piegādes:

Šis ceļvedis ir paredzēts LTSpice simulācijām, tāpēc vienīgais materiāls, kas jums būs nepieciešams, lai modelētu shēmas, ir LTSpice lietojumprogramma. Ja vēlaties pārbaudīt savu ķēdi ar EKG wav failu, es šeit atradu savu.

1. darbība: joslas caurlaidības filtra izstrāde

Tipiskiem EKG signāliem frekvenču diapazons ir 0,5–250 Hz. Ja jūs interesē teorija, kas balstās uz šo, lasiet, lai lasītu vairāk par to šeit vai šeit. Šajā rokasgrāmatā tas nozīmē, ka mēs vēlamies filtrēt visu, kas nav šajos reģionos. Mēs to varam izdarīt, izmantojot joslas caurlaidības filtru. Pamatojoties uz ievietotajiem shematiskajiem principiem, joslas caurlaides filtri filtrē starp diapazoniem 1/(2*pi*R1*C1) un 1/(2*pi*R2*C2). Tie arī pastiprina signālu par (R2/R1).

Vērtības tika izvēlētas tā, lai frekvences izslēgšanas vērtības atbilstu vēlamajām EKG signāla robežām un pastiprinājums būtu vienāds ar 100. Shēmu, kurā šīs vērtības ir aizstātas, var redzēt pievienotajos attēlos.

2. darbība: iecirtuma filtra izstrāde

Tagad, kad esam filtrējuši visu, kas nav EKG signāla frekvenču diapazonā, ir pienācis laiks filtrēt trokšņa traucējumus savā diapazonā. Elektrības līnijas troksnis ir viens no visbiežāk sastopamajiem EKG traucējumiem, un tā frekvence ir ~ 50 Hz. Tā kā tas ir joslas caurlaides diapazonā, to var izņemt ar iecirtuma filtru. Griezuma filtrs darbojas, noņemot centra frekvenci ar vērtību 1/(4*pi*R*C), pamatojoties uz pievienoto shēmu.

50 Hz trokšņa filtrēšanai tika izvēlēta rezistora un kondensatora vērtība, un to vērtības tika pievienotas pievienotajai shēmai. Ņemiet vērā, ka šī nav vienīgā RC komponentu kombinācija, kas darbosies; tas bija tikai tas, ko es izvēlējos. Jūtieties brīvi aprēķināt un izvēlēties dažādus!

3. solis: Instrumentu pastiprinātāja projektēšana

Nepieciešams arī pastiprināt neapstrādātu EKG signālu. Lai gan, veidojot ķēdi, mēs vispirms izvirzīsim pastiprinātāju, konceptuāli ir vieglāk domāt par filtriem. Tas ir tāpēc, ka ķēdes kopējo pieaugumu daļēji nosaka joslas caurlaides pastiprināšana (atsvaidzināšanai skatiet 1. darbību).

Lielākajai daļai EKG pastiprinājums ir vismaz 100 dB. Ķēdes dB pastiprinājums ir vienāds ar 20*log | Vout / Vin |. Vout/Vin var atrisināt pretestības komponentu ziņā, veicot mezglu analīzi. Mūsu ķēdei tas rada jaunu pastiprinājuma izteiksmi:

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

R1 un R2 ir no joslas caurlaides filtra (1. darbība), un R un RG ir šī pastiprinātāja sastāvdaļas (skat. Pievienoto shēmu). Risinājums, lai panāktu dB pieaugumu 100, dod R/RG = 500. Tika atlasītas vērtības R = 50k omi un RG = 100 omi.

4. solis: komponentu pārbaude

Visas sastāvdaļas tika atsevišķi pārbaudītas, izmantojot LTSpice AC Sweep oktāvas analīzes rīku. Tika izvēlēti parametri 100 punkti uz oktāvu, 0,01 Hz sākuma frekvence un 100k Hz beigu frekvence. Es izmantoju 1V ieejas sprieguma amplitūdu, bet jūs varat atšķirīgu amplitūdu. Svarīgs attālums no maiņstrāvas slaucīšanas ir izeju forma, kas atbilst frekvenču izmaiņām.

Šiem testiem vajadzētu iegūt grafikus, kas līdzīgi pievienotajiem 1. – 3. Ja viņi to nedara, mēģiniet pārrēķināt rezistora vai kondensatora vērtības. Ir arī iespējams, ka jūsu ķēdes sliedes, jo jūs nenodrošināt pietiekami daudz sprieguma, lai darbinātu op pastiprinātājus. Ja jūsu R un C matemātika ir pareiza, mēģiniet palielināt sprieguma daudzumu, ko dodat saviem op pastiprinātājiem.

5. solis: salieciet to visu kopā

Tagad esat gatavs salikt visas sastāvdaļas. Parasti pastiprināšana tiek veikta pirms filtrēšanas, tāpēc instrumentu pastiprinātājs tika izvirzīts pirmajā vietā. Joslas caurlaidības filtrs vēl vairāk pastiprina signālu, tāpēc tas tika ievietots otrajā vietā pirms iecirtuma filtra, kas tīri filtrē. Kopējā ķēde tika veikta arī ar AC Sweep simulāciju, kas radīja gaidītos rezultātus ar pastiprinājumu no 0,5 līdz 250 Hz, izņemot 50 Hz iecirtuma diapazonu.

6. darbība: EKG signālu ievadīšana un pārbaude

Jūs varat mainīt sprieguma avotu, lai piegādātu ķēdi ar EKG signālu, nevis maiņstrāvas slaucīšanu. Lai to izdarītu, jums būs nepieciešams lejupielādēt vēlamo EKG signālu. Šeit es atradu trokšņa pastiprinātu.wav failu un šeit-clean.txt EKG signālu. bet jūs varat atrast labākus.. Wav faila neapstrādāto ievadi un izvadi var redzēt pievienotu. Ir grūti pateikt, vai EKG signāls, kas nav troksnis, radītu labāku rezultātu. Atkarībā no signāla, iespējams, būs nedaudz jāpielāgo filtra robežas. Var redzēt arī tīras caurlaides signāla izeju.

Lai mainītu ievadi, atlasiet sprieguma avotu, izvēlieties PWL faila iestatījumu un atlasiet vēlamo failu. Fails, kuru izmantoju, bija.wav fails, tāpēc man arī vajadzēja mainīt LTSpice direktīvas tekstu no "PWL File =" uz "wavefile =". Ievadot.txt failu, PWL teksts jāsaglabā tāds, kāds tas ir.

Salīdzinot izvadi ar ideālu EKG signālu, redzams, ka, uzlabojot komponentu, vēl ir iespējami uzlabojumi. Tomēr, ņemot vērā avota faila formu un uzlaboto troksni, tas, ka mēs varējām iegūt P-viļņu, QRS un T-viļņu, ir lielisks pirmais solis. Tīram EKG teksta failam vajadzētu būt spējīgam iziet cauri filtram.

Ņemiet vērā, esiet piesardzīgs, interpretējot šos EKG ievades signāla rezultātus. Ja izmantojat tikai tīru.txt failu, tas nenozīmē, ka sistēma darbojas, lai pareizi filtrētu signālu - tas nozīmē tikai to, ka svarīgās EKG sastāvdaļas netiek filtrētas. No otras puses, nezinot vairāk par.wav failu, ir grūti noteikt, vai viļņu inversijas un nepāra formas ir vai nav avota faila dēļ, vai arī rodas problēma nevēlamu signālu filtrēšanā.